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纳米二氧化硅颗粒对表面活性剂溶液气液界面扩张粘弹性的影响

王换荣  
【摘要】: “界面流变学”是研究在施加的应力作用下,液/气、液/液界面(薄膜)的形变(应变)和流动(剪切速率)的科学,涉及胶体化学、高分子、食品、化妆品、生物科学和环境研究等多个领域和多种学科,具有较强的理论研究价值和广泛的应用前景。 表面活性剂在固/液界面上的吸附,就是表面活性剂分子或离子自溶液中迁至固/液界面,并在固液界面富集的过程,其结果是表面活性剂在固液界面上的浓度比在溶液内部的大。纳米颗粒分散在表面活性剂溶液中同样也可以造成对表面活性剂的吸附。 许多固体粉末(如CaCO_3、BaSO_4、黏土、炭黑,某些金属的碱式碳酸盐,甚至淀粉等)也是良好的乳化剂。粉末乳化剂和通常的表面活性剂一样,只有当它们处在内外两相界面上时才能起到乳化剂的作用。用粉末乳化的乳状液之所以能够稳定,主要是由于粉末集结在油.水界面上形成坚固的界面膜,它保护了分散相液滴,使乳状液得以稳定。同样固体粉末,尤其是纳米级的颗粒对表面活性剂溶液气-液,液-液界面膜结构和性质也有很大的影响。 扩张粘弹性是评定膜抗形变能力的参数,其微观基础是界面上发生的微观弛豫过程。其实验参数可以反映界面上的微观信息,如分子在表/界面上的取向、构型变化,分子在体相与表(界)面的扩散、吸附等等。很多研究已经取得了非常有价值的成果。到目前为止,大多数结果都集中在对纯表面活性剂及其复配体系等均相体系的研究。但在实际应用中,例如洗涤、印染、驱油等,不仅涉及到表面活性剂所形成的均相体系的气-液、液-液界面,同时会有固体颗粒的参与,在某些场合还需要加入固体颗粒以改变界面的性质。这就涉及到表面活性剂分子之□□(?)□胍□↑□□与固体颗粒之间以及固体颗粒之间的多重相互作用,这些相互作用竞争的最终结果会引起一系列更为复杂的驰豫过程,并影响着体系的界面特征。表面活性剂在固体颗粒上的吸附在实际中有重要的意义并且得到了充分的研究,而纳米颗粒由于其尺寸很小,除了通过对表面活性剂分子的吸附造成对界面性质的影响之外,可能还存在着其它较为复杂的作用,最终体现出对体系界面特性有怎样的影响值得探讨。界面扩张性为研究表面活性剂分子之间、分子与纳米颗粒之间及各种作用力的竞争提供了一种比较有价值的研究途径。 本论文主要是采用LANGMUIR槽法,利用华东师范大学水环境与界面科学研究中心监制,并由上海中晨数字技术设备有限公司生产的JMP2000A型界面膨胀流变仪,通过对阳离子表面活性剂—十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),阴离子表面活性剂—十二烷基苯磺酸钠(SDBS),非离子型表面活性剂—曲拉通(TritonX-100),两性表面活性剂—椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-30)这四种不同类型表面活性剂与纳米SiO_2的复配体系,采用小幅低频振荡法对其界(表)面膜的扩张流变粘弹行为进行研究,以获得这些复配体系的扩张模量|ε|、扩张弹性ε_d、扩张粘度η_d、扩张模量的相角θ、弛豫过程的类型等扩张流变粘弹性参数,以及温度、表面活性物质浓度、SiO_2含量等因素变化对这些参数的影响。实验结果表明: (1)纯十六烷基三甲基溴化铵气/液界面的扩张流变性质的研究发现,在相对较低浓度范围和较大浓度范围内扩张粘弹性参数随着频率增大出现的规律不同,在低浓度随着温度的变化规律也不同。在相同频率下扩张粘弹性随着浓度的增大变化较为复杂。这主要与阳离子表面活性剂的结构有关,疏水链较长,在水中的溶解度较低。 (2)纳米颗粒对四种不同类型的表面活性物质的吸附机理不同。不同复配体系中由于SiO_2对表面活性物质吸附的不同使界面膜各扩张粘弹性参数的变化规律不同。 (3)四种不同类型表面活性剂与纳米SiO_2复配体系中表面活性剂分子之间、分子与纳米颗粒之间等各种作用力的竞争相似又有不同。 (4)十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、曲拉通(Triton X-100)、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-30)与SiO_2复配体系界(表)面膜的扩张模量|ε|、扩张弹性ε_d、扩张粘度η_d、扩张模量的相角θ随着扩张频率的变化呈现规律性的变化。 (5)表面活性物质的浓度对扩张流变过程影响很大,但扩张粘弹性参数随着表面活性物质浓度的增加变化规律不同。 (6)纳米SiO_2含量对扩张流变过程影响很大,但扩张粘弹性参数随SiO_2含量的增加变化规律不同。 (7)温度对各个体系的每个参数都有强烈影响。TritonX-100和CAB-30体系的扩张模量、扩张粘度和扩张弹性都随着温度的升高而升高;相角随着温度的升高而降低。 (8)对同一种体系采用小幅低频振荡法所得数据的重复性良好。


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