表面活性劑溶液系統(tǒng)浸潤(rùn)性質(zhì)研究.pdf

1、表面活性劑系統(tǒng)是軟凝聚態(tài)物理研究的的重要對(duì)象之一.以表面活性劑為代表的雙性分子,大量的存在于化學(xué)和生物體系中.這類分子一端親水一端親油的特性使其能夠在液體系統(tǒng)中引起的各種豐富多彩的界面現(xiàn)象,對(duì)各種復(fù)雜流體的物理特性的形成,有著極重要的作用.然而,與雙性分子系統(tǒng)界面相關(guān)的問(wèn)題中的相當(dāng)一部分直到目前為止都沒(méi)有系統(tǒng)的研究和解釋.本文著眼于從物理學(xué)的角度考慮此類問(wèn)題,全面系統(tǒng)的研究表面活性劑溶液/甲基硅油(PDMS)兩相系統(tǒng)中的表面/界面上與浸

2、潤(rùn),擴(kuò)展有關(guān)的物理性質(zhì).第一章和第二章詳細(xì)介紹了該課題的研究背景和相關(guān)研究進(jìn)展,包括理論和實(shí)驗(yàn).從文章的第三章開(kāi)始介紹了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),現(xiàn)象,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),以及相關(guān)結(jié)果討論. PDMS(甲基硅油)油滴一旦接觸到SDS(十二烷基硫酸鈉)溶液表面,將會(huì)立即鋪展擴(kuò)散成為一層油膜覆蓋溶液表面,與硅油在純水表面擴(kuò)散類似.但是由于表面活性劑的因素,在一個(gè)特定的SDS濃度范圍內(nèi),經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間,這層油膜會(huì)再次回聚形成一個(gè)漂浮在溶液表面的宏觀透鏡狀油滴(

3、oil lens),油滴以外的溶液表面部分被一層極薄的油層所覆蓋.由于這樣的浸潤(rùn)現(xiàn)象介于通常的完全浸潤(rùn)(cornpletewetting)與不完全浸潤(rùn)(partial wetting)之間,該狀態(tài)在文獻(xiàn)中被稱為贗不完全浸潤(rùn)(pseudopartial wetting).對(duì)于SDS溶液來(lái)說(shuō),此現(xiàn)象僅發(fā)生在濃度為cmc(臨界膠束濃度)值附近的一個(gè)范圍內(nèi).低于或者高于這個(gè)濃度范圍時(shí),擴(kuò)展出去的油膜相當(dāng)穩(wěn)定,均不會(huì)再次回聚.我們?cè)谠撓到y(tǒng)下進(jìn)行了

4、一系列的實(shí)驗(yàn),包括: 1)利用橢圓偏振儀測(cè)量各種狀態(tài)下溶液覆蓋的PDMS膜層厚度,包括純水表面,油滴回聚之后的溶液表面,以及油滴完全鋪展不回聚的溶液表面等等.本文分析了各種狀態(tài)下油膜的厚度與表面能量狀態(tài)的關(guān)系,并由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了溶液濃度在cmc附近時(shí),Van der Waals與泰勒展開(kāi)兩種能量形式假設(shè)下的兩個(gè)Hamaker常數(shù)項(xiàng)的值. 2)通過(guò)teflon顆粒跟蹤方法,我們測(cè)量了不同濃度的SDS溶液表面上PDMS油滴接

5、觸溶液后的鋪展速度,得到鋪展速度與溶液性質(zhì)的關(guān)系,并觀察到在不同的浸潤(rùn)狀態(tài)下,PDMS油滴的鋪展方式有著明顯差別.特別是在SDS溶液處于中問(wèn)濃度時(shí),測(cè)量得到鋪展行為明顯與文獻(xiàn)中理論預(yù)言有偏差,原因?yàn)楝F(xiàn)有理論所用理想化能量形式在系統(tǒng)處于完全浸潤(rùn)條件下能夠較好的符合實(shí)際情況,但是,當(dāng)系統(tǒng)最終平衡狀態(tài)不是完全浸潤(rùn)時(shí),這個(gè)簡(jiǎn)單的能量形式不能全面反映系統(tǒng)中各方面的相互作用.就此我們對(duì)原有理想形式的理論模型加上一個(gè)能量項(xiàng)修正.這樣使得在無(wú)論系統(tǒng)最終

6、狀態(tài)是否是完全浸潤(rùn),理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值都能夠較好的吻合. 3)我們觀察了油膜回聚成透鏡狀油滴后,在溶液表面的長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)變化.對(duì)于每一個(gè)濃度下的表面,我們都拍攝了長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)的溶液表面變化照片.數(shù)據(jù)分析表明,回聚后油滴半徑以及長(zhǎng)時(shí)間變化的特性等等都與表面活性劑濃度/表面能量狀態(tài)/鋪展系數(shù)等等因素有關(guān). 4)溫度不同時(shí),系統(tǒng)中各相的表面張力,界面張力以及表面活性劑cmc值都會(huì)發(fā)生明顯變化,因而導(dǎo)致浸潤(rùn)狀態(tài)亦會(huì)隨之變化.我們

7、觀測(cè)了在不同溫度情況下,SDS溶液表面浸潤(rùn)情況的變化.在283K,298K,313K三個(gè)溫度下PDMS油滴在SDS溶液表面隨濃度增加的浸潤(rùn)變化情況有所不同. 我們對(duì)另外一種表面活性劑樣品Triton-X100溶液也進(jìn)行了類似的觀測(cè).該類試劑與SDS最大的不同是后者為離子型表面活性劑,在水溶液中發(fā)生電離,以離子形式產(chǎn)生表面活性作用;而Triton-X100為非離子表面活性劑,在水溶液中以完整的分子形式存在.這樣就導(dǎo)致這兩種樣品的油

8、相水相之間的浸潤(rùn)行為隨濃度變化情況一定有不同.本文中從能量平衡的角度分析了該樣品不同濃度溶液表面浸潤(rùn)情況,并與SDS樣品進(jìn)行了比較.主要實(shí)驗(yàn)包括: 1)我們觀察到PDMS/Tritonl-X100溶液系統(tǒng)極為特殊的鋪展動(dòng)力學(xué)過(guò)程.與通常液一液系統(tǒng)表面的快速鋪展完全不同,在低濃度/高鋪展系數(shù)時(shí),該系統(tǒng)表現(xiàn)出極慢的鋪展速度.我們稱之為類固鋪展(solid-likespreading),其時(shí)間尺度與液.固系統(tǒng)極為接近.隨著濃度升高/鋪

9、展系數(shù)降低,系統(tǒng)的鋪展速度反而增加. 2)系統(tǒng)在短時(shí)問(wèn)尺度上表現(xiàn)出的平衡狀態(tài),與PDMS/SDS溶液系統(tǒng)亦有不同.在濃度增大至某一數(shù)值時(shí),PDMS油滴的表面浸潤(rùn)狀態(tài)會(huì)發(fā)生從完全浸潤(rùn)到準(zhǔn)不完全浸潤(rùn)的轉(zhuǎn)變,同樣溶液的表面會(huì)形成透鏡狀油滴.但是之后隨著Triton-x100溶液濃度繼續(xù)增大,油相水相間浸潤(rùn)情況沒(méi)有如SDS溶液一樣的返回完全浸潤(rùn)狀態(tài),而是始終處于準(zhǔn)不完全浸潤(rùn)狀態(tài),高濃度的系統(tǒng)表現(xiàn)出極快的鋪展和回聚過(guò)程. 3)高濃

10、度時(shí)回聚形成的贗不完全浸潤(rùn)狀態(tài)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)小時(shí))后,其回聚油滴將會(huì)逐漸消失,系統(tǒng)從而再次回到完全浸潤(rùn)狀態(tài).油滴的二次消失現(xiàn)象,是該系統(tǒng)在高濃度時(shí)又一個(gè)特殊性質(zhì),與SDS系統(tǒng)完全不同.二次消失時(shí)間隨濃度增加而逐漸縮短. Triton-X100系統(tǒng)中這些浸潤(rùn)情況在文獻(xiàn)中均沒(méi)有正式報(bào)道過(guò),其中相當(dāng)多的現(xiàn)象與理論預(yù)言相反,或者現(xiàn)有理論無(wú)法完全解釋,表明此系統(tǒng)中的確存在以往沒(méi)有考慮過(guò)的能量作用.初步推測(cè)這類作用的來(lái)源可能與溶液中形成的