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水溶性高分子的物化性质及其与羧酸盐表面活性剂的相互作用

辛霞  
【摘要】: 许多水溶性高分子因其具有生物相容性和环境友好性而成为当今最受重视的材料之一,同时水溶性高分子与表面活性剂混合体系可以相互作用形成复合物,其水溶液的许多特性常常优于任一纯组分体系的性质,所以水溶性高分子溶液及其与表面活性剂的混合体系在洗涤剂、涂料、化妆品、食物、医药、生物、纺织、感光材料、采矿以及油田开发等行业中已得到非常广泛的应用。因此,关于水溶性高分子的物化性质及其与表面活性剂相互作用的研究是多年来人们一直十分感兴趣的研究课题。 近年来,很多课题组已经采用各种手段对聚氧乙烯(PEO)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酰胺(PAM)等水溶性高分子的物化性质及其在溶液中与各种表面活性剂分子间的相互作用做了大量研究。本论文不仅通过表面张力、界面扩张流变、体相流变、稳态荧光和电镜等技术研究了本实验室合成的具有星状结构的嵌段聚醚AP432的物理化学性质及其与羧酸盐表面活性剂油酸钠(C_(17)H_(33)COONa)之间的相互作用,并与另一种非离子型水溶性聚合物PVP与C_(17)H_(33)COONa之间的相互作用进行了比较;而且,研究了阴离子型聚电解质部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)和C_(17)H_(33)COONa、硬脂酸钠(C_(17)H_(35)COONa)之间的相互作用,讨论了混合体系的浓度依赖性和抗温抗盐性。研究内容共分为五部分: 论文的第一部分概述了水溶性高分子和表面活性剂的基本性质和应用,阐明了水溶性高分子和表面活性剂相互作用的重要意义。 论文的第二部分通过表面张力、荧光、光散射和透射电镜(TEM)等方法研究了本实验室合成的星状嵌段聚醚AP432的聚集行为,并对比研究了和线型嵌段聚醚L64的聚集行为。结果表明,AP432降低水的表面张力的效率和效能都高于L64,且AP432在空气/水界面上的饱和吸附量高于L64,而占据的分子最小截面积低于L64,说明AP432分子在空气/水界面上的排列要比L64分子紧密。荧光光谱实验结果表明,星状AP432的I_1/I_3值远低于线型L64,同时也证明了AP432胶束中的分子排列比L64要紧密。TEM观察表明,随着AP432浓度增加,形成的胶束尺寸逐渐增大;而L64随着浓度增加胶束尺寸几乎不变,倾向于形成新的胶束。 论文的第三部分主要通过UV-vis-NIR吸收光谱、拉曼光谱、TEM和高分辨电镜(HRTEM)电镜等方法研究了星状嵌段聚醚AP432和线型嵌段聚醚F127及L64分散碳纳米管(CNTs)的能力,比较了它们之间由于分子结构和分子量不同对CNTs分散能力的差异。结果表明,星状聚醚AP432和线型聚醚F127都具有分散碳纳米管的能力,而和AP432具有相似EO%含量的另一种线型聚醚L64却不能分散碳纳米管。与F127相比,AP432在较低浓度下就表现出可观的分散CNTs的能力,这是由于星状的AP432分子比线型的F127分子能够产生更高空间位阻效应,同时由于AP432分子较F127具有较短的疏水链段,无法和多根碳管相互作用,所以它比线型F127分子更容易分散得到以单根状态存在的CNTs。当AP432和F127的浓度较高时,胶束的形成容易导致碳管的聚沉,这一现象在CNTs/AP432分散体系中更为明显,这是因为与F127相比,AP432具有较低的cmc值和较大的胶束尺寸。根据AP432和F127对碳纳米管不同的分散效果进一步验证了前人提出的聚醚分散碳纳米管的机制:即聚醚的疏水链PO基团与碳纳米管之间通过疏水作用吸附在碳纳米管的侧壁上,而两端亲水的EO基团伸展于水溶液中从而阻止碳纳米管的相互聚集。 论文的第四部分共分为两小节。第一节主要通过表面张力、荧光、界面流变和TEM等方法比较研究了星状聚醚AP432和和L64与C_(17)H_(33)COONa之间的相互作用,分析了AP432和L64的分子结构和分子量对相互作用的影响。结果表明,AP432和L64都能够和C_(17)H_(33)COONa形成混合胶束,且在任意比例时混合体系的cmc和γ_(cmc)都介于两单一体系之间,TEM结果表明,在研究的浓度范围内AP432/C_(17)H_(33)COONa和L64/C_(17)H_(33)COONa复配体系都形成了球状胶束。扩张黏弹性研究表明,无论单一的AP432、L64或C_(17)H_(33)COONa水溶液还是AP432/C_(17)H_(33)COONa、L64/C_(17)H_(33)COONa混合体系,扩张模量均随扩张频率的增加而升高,且随嵌段聚醚浓度增加,体系的扩张模量都出现一最大值。第二节主要利用表面张力和Langmuir槽技术考察了PVP和C_(17)H_(33)COONa混合溶液在空气/水界面上的表面张力和扩张粘弹性质,并且研究了外加盐NaCl和NaI对C_(17)H_(33)COONa与PVP之间相互作用的影响。结果表明PVP存在时C_(17)H_(33)COONa溶液的表面张力等温线出现两个明显的转折点(T_1和T_2),且随着PVP浓度的增大,T_1基本不变,而T_2却逐渐增大。少量的NaCl和NaI能使C_(17)H_(33)COONa的表面活性大大增加,且NaCl降低C_(17)H_(33)COONa溶液CMC的程度略大于NaI。另外,NaCl和NaI存在时能促进C_(17)H_(33)COONa/PVP复合物的形成;且在NaCl存在时,同样量的PVP能够比在NaI存在时结合更多的C_(17)H_(33)COONa分子。 论文的第五部分也分为两小节。第一节主要采用流变学方法研究了HPAM与C_(17)H_(33)COONa之间的相互作用,讨论了C_(17)H_(33)COONa和HPAM的浓度对混合体系流变性质的影响。结果表明,C_(17)H_(33)COONa浓度较低时HPAM/C_(17)H_(33)COONa混合体系的粘度出现一最大值,且随着HPAM溶液浓度增加,体系粘度达到最大值时所需要的C_(17)H_(33)COONa浓度逐渐增加。含有高浓度C_(17)H_(33)COONa时HPAM溶液的表观粘度随着C_(17)H_(33)COONa浓度增加呈单调下降的趋势,说明HPAM体系的网络结构逐渐减弱,且高浓度的HPAM体系需要更多的C_(17)H_(33)COONa来破坏HPAM的网络结构。第二节采用流变学方法研究了HPAM与C_(17)H_(35)COONa的相互作用,并考察了无机盐CaCl_2、温度和pH值对HPAM/C_(17)H_(35)COONa混合体系流变行为的影响。结果表明,CaCl_2的加入导致混合体系中HPAM分子极性基团的水化层压缩,大分子链塌陷,影响了HPAM和C_(17)H_(35)COONa之间的相互作用,使得体系的粘度降低。温度的升高使HPAM分子脱水、导致HPAM链间的缠绕减弱,分子间的摩擦力减小,从而结构破坏,使得HPAM分子塌陷,也导致了体系的粘度都下降。而溶液pH的变化使得HPAM和C_(17)H_(35)COONa分子的羧基基团离子化程度改变,也影响了HPAM和C_(17)H_(35)COONa之间的相互作用。


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