改性sio2納米顆粒表面活性劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　題 目：改性SiO2納米顆粒/表面活性劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定</p><p><b>　　性的增強(qiáng)機(jī)理研究</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：王 燕</b></p><p>　　學(xué) 號(hào)：1309050201&l

2、t;/p><p>　　專業(yè)班級(jí)：材料物理13-2班</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：孫霜青</b></p><p>　　2017年6月18日</p><p>　　改性SiO2納米顆粒/表面活性劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定性的增強(qiáng)機(jī)理研究</p><p><b>　　摘 要</b>&l

3、t;/p><p>　　本文通過測(cè)定泡沫的半衰期考察了SDS、CTAB和C12E5三種表面活性劑的濃度和種類對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，并測(cè)得其不同濃度下的表面張力。研究結(jié)果表明隨著表面活性劑濃度的增大，泡沫穩(wěn)定性先增大后趨于穩(wěn)定，并得出三種表面活性劑的穩(wěn)泡能力大小順序，找到了三種表面活性劑的臨界膠束濃度。此外本文對(duì)納米SiO2進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?，研究了改性SiO2納米顆粒對(duì)水基泡沫穩(wěn)定性影響的規(guī)律和機(jī)理，結(jié)果表明在不同濃度表面活

4、性劑情況下SiO2納米顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響規(guī)律不同，并確定了表面活性劑和SiO2納米顆粒復(fù)配的最佳濃度，同時(shí)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)不同濃度SiO2下泡沫穩(wěn)定性變化機(jī)理進(jìn)行了研究，為SiO2納米顆粒/表面活性劑穩(wěn)定泡沫提供一定的理論指導(dǎo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：泡沫；表面活性劑；表面張力；SiO2納米顆粒</p><p>　　Enhancement mechanism of mod

5、ified SiO2 nanoparticles / surfactant on water - based foam stability</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, the effects of concentration and species of SDS、CTAB和C12E5 thre

6、e kinds of surfactants on foam stability were investigated by measuring the half-life of foam, and the surface tension at different concentrations was measured. The results show that the stability of the foam increased w

7、ith the increase of surfactant concentration firstly, then entered a smooth stage. The order of the stability of the three kinds of surfactants was obtained, and the critical micelle concentration of ea</p><p&

8、gt;　　Keywords：Foam；Surfactant；Interfacial tension；SiO2 nanoparticles</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p>

9、;<p>　　泡沫在我們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏囝I(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如化妝品和洗滌劑，而且在許多工業(yè)領(lǐng)域如礦物浮選、電磁干擾屏蔽、提高石油采收率（EOR）等也有重要應(yīng)用[1-6]，但是泡沫的不穩(wěn)定性使其應(yīng)用受到限制。表面活性劑所具有的親水基團(tuán)和疏水集團(tuán)能夠降低氣-液表面張力，進(jìn)而提高泡沫的穩(wěn)定性。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，比如用于驅(qū)油時(shí)的地層狀態(tài)往往是高溫、高鹽等苛刻的條件，泡沫穩(wěn)定性受到很大的影響，再者，表面活性劑在如此條件下非常容易

10、被破壞，也就說明僅借助表面活性劑是不能使泡沫性質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定的。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，常常通過添加聚合物為主的穩(wěn)泡劑，來實(shí)現(xiàn)泡沫穩(wěn)定性的提高，但這種方法也會(huì)造成一系列的問題。在高溫地層中，該類型的穩(wěn)泡劑極易分解失效，且起泡體積小效果差，泡沫破裂失效后遺留的有機(jī)物殘?jiān)鼤?huì)致使地層破壞。</p><p>　　納米SiO2作為一種新型有效的穩(wěn)泡劑由于其性能優(yōu)異并且適應(yīng)條件廣泛而逐漸發(fā)揮出了應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)如今對(duì)這部分基于表面改性的

11、SiO2以及表面活性劑的復(fù)配體系的穩(wěn)泡劑，在穩(wěn)泡效果方面的研究較少?，F(xiàn)針對(duì)三種表面活性劑穩(wěn)泡性能以及與納米SiO2復(fù)配的情況進(jìn)行了模擬及實(shí)驗(yàn)研究，為今后研究SiO2納米顆粒復(fù)配型穩(wěn)泡劑性能提供了一定的理論指導(dǎo)。</p><p><b>　　1.2 泡沫概述</b></p><p>　　1.2.1 泡沫的形成及結(jié)構(gòu)</p><p>　　泡沫在我們

12、的日常生活中存在很普遍。泡沫是由分散的氣相和連續(xù)的液相組成的膠體系統(tǒng)。穩(wěn)定的泡沫不能僅由純液體形成，液體中要有兩種或兩種以上的成分，基礎(chǔ)成分為起泡劑和起泡液體。用的最廣泛的起泡劑為表面活性劑，起泡液體通常為水，有時(shí)也為超臨界二氧化碳等特殊物質(zhì)。有時(shí)候還加入醇和胺等氧化物作為穩(wěn)定泡沫劑來穩(wěn)定泡沫。</p><p>　　向水中加入起泡劑之后，起泡劑會(huì)吸附在氣-液界面，還有一部分起泡劑會(huì)以膠束狀態(tài)團(tuán)聚在水相中，氣-液界

13、面上的起泡劑由于其兩親性的特點(diǎn)使得其親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)分別伸向水中和空氣中。水相中的起泡劑吸附在氣泡周圍形成一個(gè)大氣泡，由于浮力上升到氣-液界面，并與界面上的起泡劑接觸，形成雙吸附層（如圖1-1所示）。雙吸附層兩側(cè)的氣泡由于起泡劑的吸附而穩(wěn)定的存在，當(dāng)形成很多這種氣泡時(shí)，便是生活中常見的蜂窩狀泡沫。</p><p>　　圖1-1 起泡劑在泡沫上的吸附</p><p>　　1.2.2 泡沫的

14、衰變</p><p>　　泡沫巨大的表面能使其傾向于破裂，所以它一出現(xiàn)就開始演變[8]。液體的排出、泡沫的聚結(jié)和泡沫膜的破裂是影響泡沫穩(wěn)定性的主要過程[9-12]，其實(shí)際上由泡沫膜的特性決定。其中，泡沫中液體的排出主要是由重力和起泡之間的相互擠壓造成的；而曲面壓力作用導(dǎo)致了氣泡間相互擠壓（如圖1-1即為Plateau邊界）。根據(jù)Laplace方程可以得出：</p><p>　　PB-PA=

15、σ/R (1-1)</p><p>　　PA和PB分別為圖1-2中所示的A、B處的壓力，σ為表面張力，R為氣泡半徑。根據(jù)式(1-1)可以看出相比之下，B處壓力更大，導(dǎo)致BA兩處之間形成壓力差，繼而使得液體由B流至A處，致使液膜厚度不斷地減小，最終破裂。</p><p>　　圖1-2 Plateau 邊界</p><p

16、>　　除此之外，液面處的氣泡中的氣體直接擴(kuò)散到空氣中也會(huì)導(dǎo)致氣泡破裂，還有位于液相中的氣泡，會(huì)因?yàn)榇笮〔灰粯訉?dǎo)致的壓力差使得小的氣泡中的氣體進(jìn)入到大的氣泡中，原本小的氣泡就會(huì)逐漸減小直到破裂，也會(huì)導(dǎo)致泡沫減少。</p><p>　　1.3 表面活性劑概述</p><p>　　1.3.1 表面活性劑的定義和分類</p><p>　　表面活性劑是含有親水基團(tuán)和疏水

17、基團(tuán)即親油基團(tuán)的兩親性分子，該特性使表面活性劑分子能夠在溶液表面鋪展開來，親水基伸向水中，疏水基團(tuán)伸向空氣，繼而使溶液的表面張力降低，達(dá)到穩(wěn)定泡沫的效果。但是并非所有具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的分子都屬于表面活性劑分子，還需要滿足碳?xì)滏滈L(zhǎng)度為8~20的條件[13]。</p><p>　　根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，可以把表面活性劑劃分成不同的種類。常見的方法主要是依據(jù)表面活性分子在溶液中電離特性各異，能夠得到如下分類：能夠電

18、離出離子的稱之為離子型表面活性劑；相反的不能電離的稱為非離子型表面活性劑；根據(jù)離子型表面活性部位的不同，又將其分為陰離子型和陽(yáng)離子型。而同時(shí)電離出兩種離子的，又稱為兩性活性劑。</p><p>　?。?）陽(yáng)離子表面活性劑</p><p>　　絕大多數(shù)含氮有機(jī)物和部分含硫、含磷的活性劑能在水中能夠電離出憎水的陽(yáng)離子基團(tuán)。其價(jià)格一般較高，所以不用于洗滌劑或潤(rùn)滑劑。其有著很強(qiáng)的殺菌能力，因而廣泛

19、應(yīng)用于消毒劑。同時(shí)擁有很強(qiáng)的吸附能力，能夠作為柔軟劑用于紡織等行業(yè)。但是，該活性劑不能與陰離子型調(diào)配共用，否則會(huì)形成沉淀繼而影響使用效果。</p><p>　?。?）陰離子型表面活性劑</p><p>　　將其溶于水中，能夠電離出憎水的陰離子，可分為磺酸鹽、硫酸酯鹽、磷酸酯鹽以及羥酸鹽這四類。具有去污、發(fā)泡、分散、乳化等特性。作為發(fā)泡劑、乳化劑、洗滌劑及分散劑等廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)。這種類型

20、的活性劑是目前應(yīng)用最為廣闊的，常被廣泛應(yīng)用到三次采油過程當(dāng)中。在上述四類中，硫酸鹽型活性劑的洗滌以及潤(rùn)濕效果最好，但是因?yàn)楹蛭飳?duì)環(huán)境污染易造成污染，故這部分應(yīng)用較少。另外，使用最早的為羧酸鹽型表面活性劑，一直到現(xiàn)在都有使用，古代的肥皂就是這種類型的表面活性劑，具有良好的物理化學(xué)性能，但是其容易受到環(huán)境的影響，適用范圍小。同樣的，該類型不可以與陽(yáng)離子型活性劑共用，否則形成沉淀導(dǎo)致效果變差。</p><p>　?。?/p>

21、3）非離子型表面活性劑</p><p>　　該類型的活性劑在水中不會(huì)產(chǎn)生離子。正是因其本身有著親水能力非常強(qiáng)的官能團(tuán)，使其能夠在水中溶解。和陰離子型表面活性劑相比具有一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)為其乳化能力更高，缺點(diǎn)為不耐堿，價(jià)格也比較高。另外，該活性劑的溶劑溶解度隨著溫度的升高反而降低，這是由于溫度升高導(dǎo)致其氫鍵斷裂，便破壞了它的親水性，致使溶解度變小。其應(yīng)用主要為醫(yī)藥、農(nóng)藥和食品等方面。</p><

22、;p>　?。?）兩性表面活性劑</p><p>　　在水中能同時(shí)電離出陰、陽(yáng)離子兩種離子類型，并且在溶液中的存在形式取決于溶液的PH值，當(dāng)溶液的PH>7時(shí)，以陰離子的形式存在；當(dāng)溶液的PH<7時(shí)，以陽(yáng)離子的形式存在。性質(zhì)比較溫和，溶解度高，毒性小。具有良好的洗滌、分散和殺菌能力，因此在生活生產(chǎn)中被用作洗滌劑、分散劑和殺菌劑等。盡管效果不錯(cuò)，但是價(jià)格相比于其他類型的活性劑而言更高，這也就導(dǎo)致了它的

23、應(yīng)用不如其他類型。</p><p>　　1.3.2 表面活性劑的基本性質(zhì)</p><p>　　吸附作用是指從本體向界面遷移的過程，吸附作用能夠降低液面的表面張力，使界面性質(zhì)發(fā)生變化?；钚詣┑膬煞N基團(tuán)和水分子的作用力是不同的，其中親水基團(tuán)與水之間的作用力要大于空氣與水的，而疏水基團(tuán)與水分子之間只有斥力，表面活性劑分子在這些力的作用下被推向水面鋪展開來，當(dāng)鋪展的分子足夠多的時(shí)候，這種定向吸附的

24、單分子層薄膜便會(huì)形成。原本是空氣-液體的界面被表面活性劑-液體界面取代，而創(chuàng)造表面活性劑-液體這種新界面所需要的能量比原來的空氣-液體界面所需能量少，因此能夠使得溶液表面張力降低，繼而達(dá)到穩(wěn)定泡沫的效果。顯然，當(dāng)同種活性劑在液面聚集時(shí)，分子數(shù)量越多，其表面張力就會(huì)降低越多，當(dāng)整個(gè)液面都被這種分子覆蓋的時(shí)候，表面張力降到最小，分子吸附作用停止。因此，在液面鋪滿活性分子之前，活性劑濃度增大，其降低溶液界面表面張力的能力會(huì)越來越強(qiáng)。當(dāng)然，不同

25、種類的活性劑其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也會(huì)有所不同，因而降低表面張力的極限也會(huì)有所差別。</p><p>　　在活性劑的濃度達(dá)到一定值時(shí)，即界面鋪滿了活性劑分子時(shí)，此時(shí)我們稱其為臨界膠束濃度。此時(shí)如果繼續(xù)加入該分子，其便會(huì)以另一種形式維持體系自身能量最低的狀態(tài)。從熱力學(xué)角度來講，體系能量最低時(shí)就會(huì)形成膠束，隨著濃度的增加，體系焓值增加，只能通過疏水基團(tuán)的作用來降低分子的作用。而無法再鋪展在表面的分子便會(huì)進(jìn)入水相當(dāng)中，活性劑

26、分子的疏水結(jié)構(gòu)便會(huì)使其形成的親水基團(tuán)朝向外側(cè)，疏水基團(tuán)朝里的團(tuán)聚狀態(tài)的膠束（如圖1-3所示），這種團(tuán)聚狀態(tài)無法再降低界面的表面張力，對(duì)穩(wěn)定泡沫效果起不到增強(qiáng)的作用，于是泡沫的穩(wěn)定狀況基本不再有所變化。另外，活性劑分子形成的膠束還能將一部分微溶甚至不溶于水的有機(jī)物加溶到膠束之中。</p><p>　　圖1-3 表面活性劑在溶液表面和內(nèi)部的狀態(tài)</p><p>　　1.4 改性SiO2納米顆粒

27、概述</p><p>　　1.4.1 SiO2納米顆粒穩(wěn)定泡沫優(yōu)勢(shì)</p><p>　　納米級(jí)的SiO2顆粒經(jīng)過改性之后能夠用來形成穩(wěn)定的泡沫，而且擁有著相比于表面活性劑更加優(yōu)越的性能。</p><p>　　在惡劣的地層條件下，表面活性劑非常容易被其他物質(zhì)吸附，但經(jīng)過表面改性后的二氧化硅納米顆粒卻能夠在其中轉(zhuǎn)移并且可以減少被吸附量，這樣就降低了對(duì)地層造成的傷害也減少

28、了SiO2納米顆粒的浪費(fèi)。</p><p>　　在高溫、高鹽等苛刻條件下泡沫不穩(wěn)定并且表面活性劑容易遭受破壞，而SiO2納米顆粒因?yàn)榫哂泄腆w的特性能夠比表面活性劑更加穩(wěn)定的存在，在高溫、高鹽的苛刻條件下仍然可以起到穩(wěn)定泡沫的作用[14-17]。因此，SiO2納米顆粒的適用條件更加廣泛。</p><p>　　SiO2顆粒尺寸相對(duì)于表面活性劑分子而言要更大一些，而且該顆粒能夠吸附于氣-液的界面

29、上，繼而減小了氣、液的接觸面積，從而大大降低了歧化反應(yīng)可能性。</p><p>　　憑借著眾多優(yōu)異性能，使得SiO2納米顆粒在許多領(lǐng)域中，尤其是穩(wěn)定泡沫方面具有非常廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.4.2 SiO2納米顆粒穩(wěn)定泡沫機(jī)制</p><p>　　SiO2納米顆粒穩(wěn)定泡沫的機(jī)制主要有：</p><p>　?。?）減緩液膜排液速度&

30、lt;/p><p>　　泡沫液體排出的重要原因在于重力以及氣泡間擠壓。而這種SiO2顆粒能夠吸附于氣液界面上，繼而形成穩(wěn)定的外殼結(jié)構(gòu)，能夠堵塞水流通道，使水流動(dòng)受阻。同時(shí)，SiO2納米顆粒還可以存在于泡沫的Plateau 邊界，也會(huì)使水分流動(dòng)受阻；另外，SiO2納米顆粒還能使得泡沫黏度變大，使得液膜的排液速度減小。</p><p>　?。?）延緩內(nèi)部氣泡破裂速度</p><

31、p>　　氣液界面處SiO2顆粒的存在，使得泡沫之間可以形成穩(wěn)定的固、液、氣三相骨架結(jié)構(gòu)，即使外部泡沫發(fā)生破裂，但骨架會(huì)依舊存在，這樣就會(huì)保護(hù)位于內(nèi)部的泡沫，泡沫的破裂速度在很大程度上得到了減緩。另外，SiO2納米顆粒在泡沫表層的吸附也會(huì)形成一個(gè)屏障作用，對(duì)于外來的干擾作用能夠起到一定的抵抗作用。</p><p>　?。?）降低泡沫歧化速度</p><p>　　所謂歧化是指氣體從小氣泡

32、通過液膜擴(kuò)散的方法至到大氣泡，致使小氣泡變的更小直至消失，最終泡沫發(fā)生破裂。導(dǎo)致這種情況的原因仍然在于彎曲表面存在壓力差，小氣泡壓力要比大氣泡的壓力更大，氣體就會(huì)經(jīng)由液膜從小氣泡擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到大氣泡中。氣體這種類型的擴(kuò)散速度與液膜厚度及氣體跟表面液膜的接觸面積相關(guān)聯(lián)，這種SiO2顆粒能夠吸附于氣-液界面上，致使液膜變厚，并減小氣體和液膜之間的接觸面積，從而降低泡沫的歧化速度。</p><p>　　1.4.3 SiO2

33、納米顆粒穩(wěn)定泡沫影響因素</p><p>　　影響SiO2納米顆粒穩(wěn)定泡沫效果的因素主要有：</p><p><b>　?。?）粒徑大小</b></p><p>　　顆粒粒徑的大小對(duì)氣泡體積的影響不是很大，但是會(huì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，SiO2納米顆粒粒徑越大，泡沫的穩(wěn)定性就會(huì)越低。原因可能是隨著液膜排液的進(jìn)行，粒徑大的SiO2納米

34、顆粒會(huì)由于重力原因從液膜上脫落，其減緩液膜排液的作用就會(huì)下降；另外，SiO2納米顆粒的粒徑越大，其比表面積越小，能夠吸附到氣-液界面上的納米顆粒數(shù)也會(huì)減少，穩(wěn)定泡沫的作用下降。</p><p><b>　　（2）電解質(zhì)反離子</b></p><p>　　地層中含有的多種金屬離子會(huì)對(duì)表面活性劑的活性甚至SiO2納米顆粒的活性有影響進(jìn)而影響泡沫的穩(wěn)定性。遭遇的離子不同，同

35、一種泡沫的穩(wěn)定性也會(huì)不同，這主要取決于這部分離子各自水合能力的差別。</p><p><b>　?。?）潤(rùn)濕性</b></p><p>　　潤(rùn)濕角是用來描述潤(rùn)濕性的參量，是考察固體表面改性的參數(shù)[18]。合適的潤(rùn)濕角才能夠使納米顆粒吸附在氣-液界面上，降低界面張力，起到穩(wěn)定泡沫的效果，所以納米顆粒的疏水性能對(duì)于穩(wěn)定泡沫具有重要意義[19]。</p>&l

36、t;p>　　與表面活性劑類似，能夠作為穩(wěn)泡劑的納米顆粒也需要具有一定的親水結(jié)構(gòu)和疏水結(jié)構(gòu)，并且接觸角要小于，當(dāng)然也不能太小。</p><p>　?。?）納米顆粒的疏水性</p><p>　　納米顆粒要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泡沫的功能，就需要具備一定的疏水結(jié)構(gòu)。與表面活性劑不同的是，經(jīng)過疏水修飾的SiO2納米顆粒不是具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)，而是對(duì)水和氣體都呈現(xiàn)親和的狀態(tài)，因此能夠吸附在氣-液界面。

37、疏水修飾方式不同，泡沫穩(wěn)定性也會(huì)不同。</p><p>　　（5）納米顆粒的濃度</p><p>　　在一定范圍內(nèi)，SiO2納米顆粒的濃度越大，泡沫的穩(wěn)定性就會(huì)越高。而超過臨界濃度，就會(huì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生一系列不良的影響。這是因?yàn)樵跐舛容^低時(shí)，隨著SiO2納米顆粒濃度的增大，吸附到氣-液界面上的顆粒數(shù)目也會(huì)增多，能夠?qū)Ψ€(wěn)定泡沫起到增強(qiáng)的作用；而增大到一定濃度之后，顆粒之間會(huì)發(fā)生聚并，使顆粒粒

38、徑變大，影響泡沫的生成[20]。</p><p><b>　?。?）礦化度</b></p><p>　　礦化度對(duì)SiO2納米顆粒穩(wěn)定泡沫的效果產(chǎn)生兩方面影響。一方面，隨著礦化度的增大，SiO2納米顆粒與氣-液界面的接觸角更有利于其在界面的吸附；另一方面，礦化度增大，會(huì)降低納米顆粒之間的靜電斥力，這樣容易使納米顆粒發(fā)生聚并，對(duì)泡沫的形成產(chǎn)生不利的影響。因此需要合理控制礦

39、化度。</p><p><b>　?。?）溫度與壓力</b></p><p>　　溫度以及壓力對(duì)泡沫形成及其穩(wěn)定性的影響因素主要在于影響了溶液的表面張力以及發(fā)泡氣體在水中的溶解度。溫度一旦升高，會(huì)使SiO2納米顆粒熱運(yùn)動(dòng)加劇，對(duì)其在氣-液界面吸附的過程造成不良的影響，進(jìn)而影響泡沫穩(wěn)定性。壓力增大，一方面會(huì)使增加液體表面張力，從而增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性；與此同時(shí)，也會(huì)使得排液作

40、用增強(qiáng)，從這一方面來講，又會(huì)降低穩(wěn)定性。</p><p><b>　　1.5 研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　泡沫在生產(chǎn)和生活中用途廣泛，因而對(duì)泡沫穩(wěn)定性的研究非常重要。為了研究泡沫更穩(wěn)定的方法，本次實(shí)驗(yàn)著手于不同類型的表面活性劑，通過測(cè)定泡沫半衰期的方法來進(jìn)行泡沫穩(wěn)定性表征。并以此考察單一類型的表面活性劑種類以及濃度對(duì)其穩(wěn)定性的影響規(guī)律，同時(shí)根據(jù)懸滴法測(cè)定其各

41、種類和濃度對(duì)應(yīng)的溶液表面張力，繼而考察表面張力及其泡沫穩(wěn)定性關(guān)系。除此之外，本文針對(duì)SiO2的納米顆粒又進(jìn)行了疏水修飾，并使不同種類活性劑與疏水性質(zhì)改良的SiO2納米顆粒進(jìn)行了不同濃度的復(fù)配，研究其對(duì)泡沫穩(wěn)定性影響，并總結(jié)規(guī)律。綜合分析SiO2納米顆粒以及泡沫劑之間的相互作用。</p><p>　　除此之外，為了從分子層次深入分析和考察不同濃度SiO2的泡沫穩(wěn)定性機(jī)理，將從不同濃度SiO2納米顆粒與臨界膠束濃度下

42、的活性劑形成泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。通過活性劑的頭基與水分子之間徑向的分布函數(shù)以及水分子的均方根位移來考察泡沫穩(wěn)定性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)合共同研究和探討了SiO2納米顆粒對(duì)水基泡沫的穩(wěn)定性的影響機(jī)制。</p><p>　　第2章 單一表面活性劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性影響規(guī)律的研究</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料<

43、/p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)所用材料為：陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)：含量92.5~100.5%，麥克林生化科技有限公司；非離子表面活性劑十二烷基聚氧乙烯醚(C12E5)：含量99%，青島優(yōu)索生化科技有限公司；陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)：含量99%，阿拉丁生化科技有限公司；氮?dú)猓汉?9.999%，山東泓達(dá)生物科技有限公司；去離子水用于所有溶液配制中。</p><p

44、>　　2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)所用儀器為：表面張力儀：上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；尼康D5100相機(jī)；1000ml量筒四個(gè)；氮?dú)馄?；氣體流量計(jì)；燒杯三個(gè)；玻璃棒三個(gè)；三腳架；氣泡石。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-1所示，氮?dú)馄可贤ㄟ^通氣管連接流量計(jì)，再通過通氣管連到量筒底部通過氣泡石通入氣體來發(fā)泡。</p><p>　　圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置圖</p><

45、;p>　　2.2 單一表面活性劑形成的泡沫半衰期的測(cè)量</p><p>　　在本實(shí)驗(yàn)中，需要配置不同濃度下的表面活性劑溶液，然后通入氮?dú)獍l(fā)泡。考察內(nèi)容為表面活性劑種類及其濃度對(duì)調(diào)配的泡沫穩(wěn)定性影響，因此實(shí)驗(yàn)中需要控制溫度、壓力等條件保持一致。用于實(shí)驗(yàn)中的三種表面活性劑溶液濃度從0.1wt%到1.5wt%，分別稱取0.1g、0.2g、0.3g直到1.5g表面活性劑于燒杯中，并分別加入100 ml水以配置成需要

46、配置的溶液。實(shí)驗(yàn)中需要將一定時(shí)間內(nèi)的泡沫體積記錄下來，并著重于其體積衰退到初始狀態(tài)一半時(shí)所需的時(shí)間，記該值為半衰期，用來表征其穩(wěn)定狀況，然而對(duì)于通入氮?dú)獾臅r(shí)間和通氣速率沒有現(xiàn)有的結(jié)論，于是通過查閱文獻(xiàn)以及大量的實(shí)驗(yàn)探索最終確定通氣時(shí)間為5min，通氣速率為10ml/min，并用于所有實(shí)驗(yàn)中。</p><p>　　將配置好的溶液倒入量筒中，打開氣體閥門，通氣5min之后關(guān)閉氣體閥門，并記錄發(fā)泡體積，同時(shí)測(cè)定其半衰期

47、。在經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)之后得到比較穩(wěn)定的三種表面活性劑濃度與半衰期的關(guān)系的曲線圖。</p><p>　　2.3 單一表面活性劑形成的泡沫表面張力的測(cè)量</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中根據(jù)懸滴法并借助表面張力儀測(cè)定這三種表面活性劑在上述濃度內(nèi)表面張力的大小。在室內(nèi)較穩(wěn)定的條件下操作，基本無震蕩，因此實(shí)驗(yàn)誤差不會(huì)很大。該方法簡(jiǎn)單易行，不受接觸角影響（θ<90°），液體用量少。懸滴法原

48、理為：當(dāng)配置的液體懸掛于細(xì)管口卻尚未下落時(shí)，其大小與自身重量以及所受表面張力密切相關(guān)：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，r為滴重計(jì)口毛細(xì)管半徑，γ為液體的表面張力，W為液滴質(zhì)量（一滴）。</p><p>　　因此，實(shí)驗(yàn)操作中，在液體即將滴落時(shí)凍結(jié)圖像并保存圖像，再打開保存的圖像并選用懸滴法，設(shè)置鏡頭0.

49、7倍時(shí)的放大因子為57.7；鏡頭為1.5倍時(shí)的放大因子為136。如圖2-2所示，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊液滴的最左面（A點(diǎn)）和最右面（C點(diǎn)）以及最下面（B點(diǎn)）之后，會(huì)在液滴上面的部分出現(xiàn)一條直線，再用鼠標(biāo)點(diǎn)擊直線與液滴的交點(diǎn)位置（D、E點(diǎn)），系統(tǒng)能夠自動(dòng)確定此液滴表面張力的大小。因?yàn)槿斯みx點(diǎn)以及凍結(jié)圖像的時(shí)刻可能存在誤差，所以需要重復(fù)測(cè)幾次，才能得出較為準(zhǔn)確的表面張力。</p><p>　　圖2-2 表面張力的測(cè)量</p

50、><p>　　2.4 泡沫形態(tài)記錄</p><p>　　使用氮?dú)庾鳛榘l(fā)泡氣體的三種表面活性劑產(chǎn)生的泡沫的圖像在產(chǎn)生之后的不同時(shí)間捕獲以給出關(guān)于泡沫氣泡的尺寸分布和泡沫膜厚度隨衰變過程的變化的信息，拍攝泡沫圖像使用的是尼康D5100相機(jī)。</p><p><b>　　2.5 結(jié)果與討論</b></p><p>　　2.5.1

51、單一表面活性劑濃度與泡沫半衰期和表面張力的關(guān)系分析</p><p>　　泡沫半衰期及表面張力與三種表面活性劑濃度的關(guān)系如圖2-3到2-5所示。</p><p>　　圖2-3 泡沫半衰期和表面張力與SDS濃度的關(guān)系</p><p>　　圖2-4 泡沫半衰期和表面張力與CTAB濃度的關(guān)系</p><p>　　圖2-5 泡沫半衰期和表面張力與C12

52、E5濃度的關(guān)系</p><p>　　圖2-3反映了泡沫的半衰期和表面張力與SDS濃度的關(guān)系，可見，隨著SDS濃度的不斷增大，泡沫半衰期有著先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，表面張力有著先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.5wt%左右，即泡沫的穩(wěn)定性先增大后不變。這是因?yàn)?，在一定濃度范圍之?nèi)，SDS濃度增大，致使界面處SDS分子增多，能夠降低表面張力的能力也越來越強(qiáng)，但是到了0.5wt%左右的時(shí)候，界面處的SDS分子已經(jīng)達(dá)到最多，此

53、時(shí)，表面張力的降低程度已經(jīng)達(dá)到最大，這個(gè)濃度即為SDS的臨界膠束濃度。此時(shí)再加入SDS，其分子會(huì)進(jìn)入到水相中并發(fā)生團(tuán)聚，不會(huì)再對(duì)穩(wěn)定泡沫起到增強(qiáng)的效果，因此泡沫穩(wěn)定性不再改變。</p><p>　　圖2-4和圖2-5呈現(xiàn)與圖2-3相同的趨勢(shì)，但是它們的臨界膠束濃度不同，SDS、CTAB、C12E5的臨界膠束濃度分別為0.5wt%、0.6wt%、0.9wt%。并且半衰期也不一樣，其半衰期分別為23min左右、13m

54、in左右、14min左右。最后，根據(jù)穩(wěn)定的半衰期的大小，可以得出這三種活性劑穩(wěn)定泡沫能力大小排序如下：十二烷基硫酸鈉SDS>十二烷基聚氧乙烯醚C12E5>十六烷基三甲基溴化銨CTAB。</p><p>　　2.5.2 泡沫形態(tài)分析</p><p>　　三種表面活性劑各濃度產(chǎn)生的泡沫尺寸幾乎相等，選取其各自的臨界膠束濃度，在其泡沫產(chǎn)生1min和5min后捕獲的圖像如圖2-6所示：

55、</p><p>　　a b</p><p>　　c d</p><p>　　e f</p><p>　　圖2-6 不同種類表面活性劑形成泡沫圖像

56、：（a，b）：SDS泡沫，（c，d）：C12E5泡沫，（e，f）：CTAB泡沫。（a，c，e）：泡沫產(chǎn)生1分鐘后的圖像，（b，d，f）：泡沫產(chǎn)生5分鐘后的圖像。</p><p>　　根據(jù)圖2-6可見，在泡沫生成的初始階段，這三種表面活性劑的泡沫大小相差不大， SDS的最小，CTAB的最大，C12E5適中，過了5min之后三種表面活性劑的氣泡尺寸都變大并且SDS和C12E5的泡沫相差不大，CTAB的變化最大。這意味

57、著C12E5氣泡的聚結(jié)速度比SDS的快一些。對(duì)于CTAB泡沫，開始泡沫的大小比其它兩種泡沫大并且隨著泡沫衰變過程迅速增加，這說明泡沫氣泡的聚結(jié)與破碎非常嚴(yán)重。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象也與上述情況對(duì)應(yīng)，SDS產(chǎn)生的泡沫致密、穩(wěn)定，并且尺寸較小。而CTAB和C12E5產(chǎn)生的泡沫尺寸相對(duì)來說較大，并且泡沫很脆弱，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)泡沫崩塌的現(xiàn)象。這一點(diǎn)與上述三種活性劑的穩(wěn)泡能力相對(duì)應(yīng)。</p>&

58、lt;p><b>　　2.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　SDS、CTAB和C12E5三種單一表面活性劑能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)泡并可以穩(wěn)定泡沫。隨著活性劑濃度的增加，泡沫的穩(wěn)定性先逐漸增加，后趨于穩(wěn)定，并且在各自的臨界膠束濃度下穩(wěn)定性最好。因?yàn)樵诘竭_(dá)臨界膠束濃度之后，氣-液界面表面活性劑分子達(dá)到最多，此時(shí)表面張力達(dá)到最低，達(dá)到最佳泡沫穩(wěn)定性。SDS、CTAB、C12E5的臨界膠束濃度分別

59、為0.5wt%、0.6wt%、0.9wt%。</p><p>　　表面活性劑的種類對(duì)于泡沫的穩(wěn)定影響很大，這三種表面活性劑穩(wěn)定泡沫的能力大小順序?yàn)椋菏榛蛩徕c（SDS）>十二烷基聚氧乙烯醚（C12E5）>十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，選取合適的表面活性劑的濃度和種類對(duì)于節(jié)約成本和提高穩(wěn)定泡沫效果有著重要意義。</p><p>　　改性SiO2對(duì)泡沫穩(wěn)定

60、性影響規(guī)律的研究</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)器材及模擬方法</p><p>　　3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　本章所用的實(shí)驗(yàn)材料除上述2.1.1所列舉的之外，還包括正辛基三乙氧基硅烷：含量97%，阿拉丁生化科技有限公司；SiO2納米顆粒：含量99.5%，50±5nm，麥克林生化科技有限公司。除上述儀器之外，所用儀器如表3-1所示

61、：</p><p>　　表3-1 主要實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　3.1.2 研究對(duì)象及模擬方法</p><p>　　本小節(jié)中，進(jìn)行模擬的對(duì)象選擇的是十二烷基硫酸鈉分子（如圖3-1所示）。</p><p>　　圖3-1 研究對(duì)象分子結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　模擬方法為：首先，建立該活性劑的單分子層結(jié)構(gòu)，由16個(gè)

62、分子構(gòu)成，使得其單分子結(jié)構(gòu)碳鏈與Z軸平行。然后構(gòu)建5nm分子層厚度的水盒子，通過液態(tài)水的密度可以計(jì)算得到應(yīng)該含有水分子的個(gè)數(shù)為4100個(gè)。把單分子層和水相距離控制于在0.2nm以內(nèi)。向泡沫液膜里隨機(jī)添加與表面活性劑極性基團(tuán)電量相等的Na+使體系電負(fù)性為0，然后在表面活性劑層加入表面改性的SiO2納米顆粒。使體系模型沿Z軸方向擴(kuò)展以減小周期性邊界對(duì)體系的影響。構(gòu)建的模型如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2

63、 模型結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　模擬使用的軟件為Materials Studio 5.0。選用的力場(chǎng)為COMPASS力場(chǎng)[21]，使用Smart Minimizer方法來進(jìn)行體系的幾何優(yōu)化，采用NVT系綜限制MD計(jì)算，用Andersen控溫方法[22]控制其溫度為298K，采用Ewald方法[23]計(jì)算其長(zhǎng)程靜電的相互作用，采用atom base方法來計(jì)算分子間相互作用。</p><p&

64、gt;　　3.2 納米SiO2的疏水化修飾及表征</p><p>　　3.2.1 納米SiO2的疏水化修飾</p><p>　　基于納米級(jí)SiO2的表面改性是指對(duì)它的羥基部位進(jìn)行修飾，使其由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴Ｔ诮?jīng)過多種不同的修飾方法嘗試修飾二氧化硅納米顆粒之后，最終得到一種有效的修飾方法。首先將一定量的無水乙醇加入燒杯中（實(shí)驗(yàn)過程中，每次修飾加入約80ml的無水乙醇），然后再向燒杯中添入

65、一定量的正辛基三乙氧基硅烷作為修飾劑，隨后將燒杯放置于有溫控的磁力攪拌器上攪拌約2h，使正辛基三乙氧基硅烷同無水乙醇充分混合并促進(jìn)正辛基三乙氧基硅烷的醇解作用，其中反應(yīng)溫度設(shè)定為60℃；再將一定量的SiO2加入燒杯中，將燒杯置于超聲分散機(jī)之中超聲分散5min，使納米粒子能夠完全分散，然后繼續(xù)把燒杯放置于控溫的磁力攪拌器上進(jìn)行攪拌約2h，將樣品放入到離心機(jī)當(dāng)中離心3min，最后將離心管取出后，放置于60℃的真空干燥箱里干燥12h，乙醇完全

66、揮發(fā)后即可得到具有疏水性能的納米SiO2。1g SiO2加入0.5~1g修飾劑，根據(jù)修飾劑的密度計(jì)算得到每修飾2g SiO2可以向其中加入2ml正辛基三乙氧基硅烷。</p><p>　　3.2.1 疏水化納米SiO2的表征</p><p>　　由于分子吸收的入射光會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)波動(dòng)，繼而產(chǎn)生紅外光譜。有機(jī)物分子中，化學(xué)鍵以及官能團(tuán)中的原子一直處于振動(dòng)的狀態(tài)下，其震動(dòng)的頻率和發(fā)射的紅外

67、光頻率是相同的。因此，當(dāng)外界通過紅外光來照射這部分有機(jī)物分子時(shí)，其分子中的化學(xué)鍵以及官能團(tuán)將會(huì)發(fā)生共振從而致使頻率被吸收。由于化學(xué)鍵及官能團(tuán)的不同會(huì)導(dǎo)致其對(duì)紅外線的吸收頻率有所差異，因此會(huì)在紅外光譜中表現(xiàn)相異的位置。所以，不同的物質(zhì)有不同的具有其各自特征的紅外光譜。從干燥箱中取出疏水修飾的SiO2之后，用刮刀將其粉碎并裝到玻璃瓶中以備使用。</p><p>　　經(jīng)過表征得到的紅外光譜圖如圖3-3所示?？梢娫?94

68、0左右出現(xiàn)了甲基和亞甲基振動(dòng)峰，說明SiO2已疏水化修飾成功。</p><p>　　圖3-3 疏水修飾的SiO2紅外光譜圖</p><p>　　3.3 改性SiO2對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響探索</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中分別選取三種表面活性劑的不同濃度加入不同濃度的疏水修飾的SiO2粉末用來考察SiO2濃度因素對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響情況，然后與單一表面活性劑的操作相同，通入5

69、min氮?dú)庵笥涗浧渑菽w積與半衰期。選取三種活性劑濃度分別為：發(fā)泡效果較差的濃度、臨界膠束濃度以及半衰期已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的濃度，基于此，SDS選取的濃度分別為0.2wt%、0.5wt%、1.0wt%；CTAB選取的濃度分別為0.3wt%、0.6wt%、1.5wt%；C12E5選取的濃度分別為0.5wt%、0.9wt%、1.5wt%。SiO2粉末的濃度分別為0.1wt%、0.15wt%、0.2wt%、0.25wt%、0.3wt%、0.35w

70、t%、0.4wt%。</p><p><b>　　3.4 結(jié)果與討論</b></p><p>　　3.4.1 改性SiO2對(duì)低濃度表面活性劑形成的泡沫穩(wěn)定性的影響規(guī)律</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中得到的圖像如圖3-4到3-6所示：</p><p>　　圖3-4 0.2wt%濃度SDS下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系<

71、/p><p>　　圖3-5 0.3wt%濃度CTAB下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　圖3-6 0.5wt%濃度C12E5下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)以上圖像可見，三張圖呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，在該濃度下，泡沫的半衰期將會(huì)隨著SiO2納米顆粒濃度的增加而逐漸減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诖藯l件下，表面活性劑濃度低，說明分布在氣-

72、液界面上分子的數(shù)目較少，加入SiO2粉末之后界面上并沒有足夠的活性劑分子與之協(xié)同，SiO2在溶液中發(fā)生團(tuán)聚。實(shí)驗(yàn)中也可以發(fā)現(xiàn)SiO2粉末以不溶的狀態(tài)沉積在量筒底部，即使使用超聲將其分散，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是如此。因此，泡沫穩(wěn)定性并不隨加入SiO2粉末的量的增多而增強(qiáng)，反而，SiO2納米顆粒還會(huì)吸附部分氣液界面表面活性劑分子并將其拉入水相中，影響其穩(wěn)定泡沫效果。</p><p>　　3.4.2 改性SiO2對(duì)臨界膠束濃度表

73、面活性劑形成的泡沫穩(wěn)定性的影響規(guī)律</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中得到的圖像如圖3-7到3-9所示：</p><p>　　圖3-7 0.5wt%濃度SDS下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　圖3-8 0.6wt%濃度CTAB下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　圖3-9 0.9wt%濃度C12E5下泡沫半衰期與S

74、iO2濃度的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)以上圖像可以看出，三張圖呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即隨著SiO2濃度的增加，泡沫半衰器先增加后降低，即泡沫穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱。此時(shí)該濃度已經(jīng)達(dá)到了臨界膠束濃度，發(fā)泡及穩(wěn)定泡沫效果已經(jīng)處于最好狀態(tài)。但是三種表面活性劑穩(wěn)定泡沫效果最佳的情況下對(duì)應(yīng)的SiO2濃度不相同，在本實(shí)驗(yàn)中，SDS對(duì)應(yīng)的SiO2最佳濃度為0.35 wt%，CTAB對(duì)應(yīng)的SiO2濃度為0.25 wt%，C12E5對(duì)應(yīng)

75、的SiO2濃度為0.3wt%。</p><p>　　出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋篠iO2的加入與表面活性劑分子發(fā)生協(xié)同作用，SiO2納米顆粒包覆在氣泡周圍，使泡沫的機(jī)械強(qiáng)度增大，因此泡沫穩(wěn)定效果會(huì)變好。當(dāng)SiO2納米顆粒增加到一定濃度時(shí)，沒有足夠的表面活性劑分子與之協(xié)同，此時(shí)的SiO2又會(huì)以團(tuán)聚的狀態(tài)沉積在水相中，而且會(huì)吸附部分活性劑分子到水相當(dāng)中，因此又會(huì)使形成的泡沫穩(wěn)定性降低。這三種表面活性劑在穩(wěn)定泡沫效果最佳時(shí)對(duì)

76、應(yīng)的半衰期大小與其單一表面活性劑的最大半衰期大小一致，說明加入SiO2會(huì)增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定能力但是沒有改變這三種活性劑原始的穩(wěn)定泡沫能力順序。</p><p>　　3.4.3 改性SiO2對(duì)高濃度表面活性劑形成的泡沫穩(wěn)定性的影響規(guī)律</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中得到的圖像如圖3-10到3-12所示：</p><p>　　圖3-10 1.0wt%濃度SDS下泡沫半衰期與Si

77、O2濃度的關(guān)系</p><p>　　圖3-11 1.5wt%濃度CTAB下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　圖3-12 1.5wt%濃度C12E5下泡沫半衰期與SiO2濃度的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)以上圖像可以看出，三張圖呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，都是隨著SiO2濃度的增加，泡沫穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱，與臨界膠束濃度下得到的趨勢(shì)相同。其達(dá)到最好穩(wěn)定泡沫狀態(tài)

78、時(shí)對(duì)應(yīng)的SiO2濃度與臨界膠束濃度的結(jié)果基本相同。</p><p>　　出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诨钚詣┑臐舛冗_(dá)到臨界膠束濃度以及更高濃度之后，氣-液相界面上的活性劑分子數(shù)目基本不再發(fā)生改變，改變的是水相中形成團(tuán)聚狀態(tài)時(shí)的和稀活性劑分子數(shù)目。在這種狀態(tài)下加入SiO2顆粒，濃度較少時(shí)會(huì)和活性劑分子發(fā)生協(xié)同作用，繼而增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性；如果濃度過高，則會(huì)沒有足夠的活性劑分子與之協(xié)同，并且多余的這部分SiO2納米顆粒會(huì)團(tuán)聚

79、在水中，吸附部分的活性劑分子將會(huì)轉(zhuǎn)移到水相中，使泡沫穩(wěn)定效果下降。并且在表面活性劑濃度高的條件下，氣-液界面排布的分子數(shù)將會(huì)與達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)的分子數(shù)幾乎相同，因此與之發(fā)生協(xié)同作用的SiO2納米顆粒數(shù)目也基本不變，所以泡沫穩(wěn)定性達(dá)到最好的狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的SiO2濃度與其基本相同。</p><p>　　3.4.4 不同濃度SiO2下泡沫穩(wěn)定性變化的機(jī)理研究</p><p>　　為了從分子層次深

80、入分析不同濃度SiO2下泡沫穩(wěn)定性的機(jī)理，本人對(duì)臨界膠束濃度下的SDS加入不同濃度SiO2納米顆粒形成的泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)的相關(guān)模擬研究。</p><p>　　在溶液中，抗衡離子和極性水分子間將發(fā)生相互作用，而水分子則會(huì)在離子周圍環(huán)繞，在一定條件下，配位數(shù)一定。離子型活性劑在水中電離出的負(fù)電部分與水分子通過氫鍵發(fā)生作用，使得活性劑頭基周圍形成一個(gè)水化層。為表征泡沫穩(wěn)定性，本次研究通過分析表面活性劑與SiO

81、2納米顆粒復(fù)配形成的泡沫體系中親水頭基和極性水分子徑向分布函數(shù)（圖3-13所示），來探究表面活性劑及水分子之間的作用。</p><p>　　圖3-13 表面活性劑頭基與水的RDF曲線：（a）：1個(gè)SiO2體系，（b）：2個(gè)SiO2體系，（c）：3個(gè)SiO2體系，（d）：4個(gè)SiO2體系。</p><p>　　由圖3-13可以看出，加入不同濃度的SiO2納米顆粒其RDF圖像變化趨勢(shì)相同，都存

82、在一個(gè)明顯的在吸收峰并且之后又出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的吸收峰，其第一吸收峰的值隨著SiO2納米顆粒濃度的增加先增大后減小。在2.53Å左右出現(xiàn)第一個(gè)明顯的吸收峰，并且其峰值大于1，說明表面活性劑與水分子之間存在強(qiáng)的相互作用力，在頭基周圍形成了水化層，并以第一吸收峰峰谷之內(nèi)的范圍作為本研究的第一水化層。第一吸收峰所對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)數(shù)值的變化說明活性劑頭基與水分子間的相互作用力呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。為了定量確定表面活性劑與水分子之間的作用力

83、，對(duì)其RDF曲線的第一吸收峰進(jìn)行積分以得到頭基周圍水分子配位數(shù)，計(jì)算結(jié)果分別為：（a）：1.16，（b）：1.29，（c）：1.35，（d）：1.33?？梢奵體系的配位數(shù)最大，即表面活性劑與水分子之間的作用力最強(qiáng)，在第一水化層中的運(yùn)動(dòng)受到限制，這樣對(duì)穩(wěn)定泡沫起到增強(qiáng)作用。</p><p>　　表面活性劑周圍的水分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散狀態(tài)對(duì)表面活性劑的聚集行為有著非常大的影響，在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，常用其擴(kuò)散系數(shù)D來表征微觀分

84、子的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散能力。因此，通過不同濃度SiO2納米顆粒泡沫體系第一水化層中的MSD曲線（如圖3-14所示）得到其擴(kuò)散系數(shù)來表征其運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散能力。其中MSD曲線與分子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式2-2中N為體系中的分子數(shù)目，微分項(xiàng)為MSD曲線的斜率，即MSD曲線斜率的1/6為該體系下分子的擴(kuò)散系數(shù)。</p

85、><p>　　圖3-14 表面活性劑第一水化層中水分子的MSD曲線：（a）：1個(gè)SiO2體系，（b）：2個(gè)SiO2體系，（c）：3個(gè)SiO2體系，（d）：4個(gè)SiO2體系。</p><p>　　由圖3-14和公式2-2可以得到不同SiO2濃度體系的第一水化層中水分子的擴(kuò)散系數(shù)（如表2-2所示）。 </p><p>　　表2-2 不同體系第一水化層內(nèi)水分子的擴(kuò)散系數(shù)<

86、;/p><p>　　由表2-2的擴(kuò)散系數(shù)可以看出，四種體系的擴(kuò)散系數(shù)與體相中水分子的擴(kuò)散系數(shù)（2.65×10-5m2·s-1）相比很小，并且c體系的擴(kuò)散系數(shù)最小。說明處于表面活性劑頭基周圍的水分子運(yùn)動(dòng)能力較小，并且c體系之中其運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散能力最小，說明c體系中水分子被表面活性劑頭基束縛的作用大，因此在泡沫排液過程中不容易失去，呈現(xiàn)出的現(xiàn)象即加入該濃度SiO2顆粒的泡沫穩(wěn)定性最好。該模擬結(jié)果與3.4.2

87、的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　表面活性劑和SiO2納米顆粒的協(xié)同穩(wěn)泡作用受兩者濃度的影響，與表面活性劑類型無關(guān)。隨著表面活性劑或SiO2濃度的增加，協(xié)同穩(wěn)泡作用均先增強(qiáng)后減弱。采用通氣法測(cè)得SDS、CTAB和C12E5與SiO2的最佳穩(wěn)泡配比分別為0.5wt%/0.35wt%、0.6wt%/0.25wt%

88、和0.9wt%/0.3wt%。</p><p>　　分子動(dòng)力學(xué)模擬中徑向分布曲線先上升后下降表明表面活性劑與水的作用力是先增大后減小的，其峰值對(duì)應(yīng)的濃度代表表面活性劑與水分子之間的作用力最強(qiáng)，在第一水化層中的運(yùn)動(dòng)受到限制，對(duì)穩(wěn)定泡沫起到很好的增強(qiáng)作用；擴(kuò)散系數(shù)先變大后變小則表明水分子擴(kuò)散能力先減弱后增強(qiáng)，最小值對(duì)應(yīng)的濃度代表處于表面活性劑頭基周圍的水分子運(yùn)動(dòng)能力較小，水分子被表面活性劑頭基束縛的作用大，因此在泡沫

89、排液過程中不容易失去，泡沫穩(wěn)定性最好。其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。綜上所述，合適的選擇表面活性劑以及SiO2復(fù)配濃度對(duì)于穩(wěn)定泡沫應(yīng)用極為重要。</p><p><b>　　第4章 結(jié)論</b></p><p>　　本文通過通氣法發(fā)泡，研究了SDS、CTAB和C12E5三種單一表面活性劑的起泡和穩(wěn)泡能力以及加入疏水修飾的SiO2納米顆粒之后泡沫的穩(wěn)定情況。得出的結(jié)論如

90、下：</p><p>　　SDS、CTAB和C12E5三種單一表面活性劑能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)泡并可以穩(wěn)定泡沫。隨著活性劑濃度的增加，泡沫的穩(wěn)定性先逐漸增加，后趨于穩(wěn)定，并且在各自的臨界膠束濃度下穩(wěn)定性最好。因?yàn)樵诘竭_(dá)臨界膠束濃度之后，氣-液界面表面活性劑分子達(dá)到最多，此時(shí)表面張力達(dá)到最低，達(dá)到最佳泡沫穩(wěn)定性。SDS、CTAB、C12E5的臨界膠束濃度分別為0.5wt%、0.6wt%、0.9wt%。</p>&

91、lt;p>　　SDS、CTAB和C12E5的半衰期各不相同，即穩(wěn)定泡沫能力大小順序?yàn)椋菏榛蛩徕c（SDS）>十二烷基聚氧乙烯醚（C12E5）>十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）。</p><p>　　表面活性劑和SiO2納米顆粒的協(xié)同穩(wěn)泡作用受兩者濃度的影響，與表面活性劑類型無關(guān)。隨著表面活性劑或SiO2濃度的增加，協(xié)同穩(wěn)泡作用均先增強(qiáng)后減弱。采用通氣法測(cè)得SDS、CTAB和C12E5與SiO

92、2的最佳穩(wěn)泡配比分別為0.5wt%/0.35wt%、0.6wt%/0.25wt%和0.9wt%/0.3wt%。</p><p>　　分子動(dòng)力學(xué)模擬中徑向分布曲線表明表面活性劑與水的作用力是先增大后減小的，其峰值對(duì)應(yīng)的濃度代表表面活性劑與水分子之間的作用力最強(qiáng)，在第一水化層中的運(yùn)動(dòng)受到限制，對(duì)穩(wěn)定泡沫起到很好的增強(qiáng)作用；擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律則表明水分子擴(kuò)散能力先減弱后增強(qiáng)，最小值對(duì)應(yīng)的濃度代表處于表面活性劑頭基周圍的

93、水分子運(yùn)動(dòng)能力較小，水分子被表面活性劑頭基束縛的作用大，在泡沫排液過程中不容易失去，泡沫穩(wěn)定性最好。其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)生活轉(zhuǎn)眼間就要結(jié)束了，回首大學(xué)生活，可謂豐富多彩，使我獲益匪淺。同樣的地方，我將開始一段新的生涯，我會(huì)以全新的、更加積極的態(tài)度迎接我的研究生生活。一路有著很多人的幫助與鼓

94、勵(lì)，使我成長(zhǎng)了很多。在此表達(dá)真心的感謝。</p><p>　　首先，我要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師，孫霜青老師。對(duì)于我畢設(shè)中遇到的問題，他都會(huì)認(rèn)真講解，為我傳道解惑。另外，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)和做事風(fēng)格為我樹立了優(yōu)秀的榜樣，讓我切實(shí)體會(huì)到了學(xué)無止境，之后我也會(huì)以更認(rèn)真的態(tài)度對(duì)待我的研究生生活。 </p><p>　　其次我要感謝胡松青、王秀民和李春玲老師對(duì)我生活和學(xué)習(xí)上的幫助，在老師們的帶領(lǐng)下，我們

95、有一個(gè)這么優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，我才能有這么好的學(xué)習(xí)環(huán)境。老師們以身作則，嚴(yán)格要求自己，帶領(lǐng)同學(xué)們共同進(jìn)步，才能取得種種優(yōu)秀成果。</p><p>　　還要感謝課題組的師兄和師姐，尤其是袁琮泰師兄、王洪兵師兄對(duì)我學(xué)習(xí)上的幫助，需要學(xué)習(xí)的各種東西他們都不遺余力來教我，使我減少了自己摸索的曲折道路。優(yōu)秀的師兄和師姐們也讓我感受到了我和他們有很大的差距，我需要學(xué)習(xí)的東西很多，我要以他們?yōu)榘駱樱瑺?zhēng)取早點(diǎn)向他們看齊。</p&g

96、t;<p>　　感謝我的父母及親戚朋友對(duì)我的關(guān)愛，是你們對(duì)我生活和學(xué)業(yè)上的支持與鼓勵(lì)我才能有今天。我會(huì)繼續(xù)努力，不辜負(fù)你們的期待。</p><p>　　感謝我的同學(xué)尤其是我的舍友，大學(xué)四年，感恩有你們。舍友就像親姐妹一樣，生活上無微不至的互相照顧，學(xué)習(xí)上不遺余力的互相幫助，遇到困難毫不猶豫的互相幫助，很幸運(yùn)能遇到你們。</p><p>　　最后，感謝所有善良的人們給予我正能量

97、，讓我對(duì)生活充滿美好的向往，我會(huì)繼續(xù)努力，將這份正能量傳遞給更多人，將所學(xué)報(bào)答社會(huì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Yang W, Yang X. Molecular dynamics study of the influence of calcium ions on foam stability.[J]. Journal

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