本書系統(tǒng)地概述了表面活性劑、膠體與界面化學的基礎概念和理論要點;突出顯示以表面活性劑為紐帶的軟物質(zhì)膠體與界面化學的實驗技能訓練和研究方法學習。適合高年級本科生、碩士生和博士生的實驗和研究方法學習,也適合國內(nèi)表面活性劑、洗滌劑、化妝品等行業(yè)從業(yè)技術人員的相關實驗技能學習和參考。
膠體與界面化學是化學科學與物理、材料、生命醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、建筑、能源和工程等廣泛交叉發(fā)展的學科,涉及國民經(jīng)濟生產(chǎn)和個人生活的眾多領域和層面;而表面活性劑素有“工業(yè)味精”之美譽。我國高等學校關于表面活性劑、膠體與界面化學的學科發(fā)展,起于中華人民共和國成立后的北京大學和南京大學。江南大學(其前身之一為錫輕工大學)自錫輕工業(yè)學院(錫輕工大學之前身)起至今,一直是國內(nèi)從事表面活性劑、膠體與界面化學科學與技術研究和本科(1958年起)—碩士(1983年起)—博士(2005年起)人才培養(yǎng)的單位之一。歷經(jīng)近60年的積淀,為我國培養(yǎng)和輸送了一大批以表面活性劑為特長的膠體與界面化學高級專門人才。
1980年左右,夏紀鼎教授在錫輕工業(yè)學院開設以表面活性劑為特色的“表面化學”理論和實驗課程,但一直沒有出版過實驗教材;自先后學習并畢業(yè)于錫輕工大學和江南大學后,本人一直從事表面活性劑、膠體與界面化學的科研和教學。隨著教學改革和課程建設的深入推進,編寫并出版一本表面活性劑、膠體與界面化學實驗教材的時機已經(jīng)成熟,以銘記和追循先輩師長的足跡。于是,在江南大學化學與材料工程學院和化學工業(yè)出版社的支持下,承恩師方云教授之鼓勵,以原錫輕工大學“表面化學實驗講義”為基礎編寫本實驗教材。
本教材共分“純液體表面張力以及溫度的影響規(guī)律”“液-液界面、液-固界面和鋪展單分子膜”“表面活性劑的溶液表面吸附和體相自組裝”“表面活性劑在液-液界面和液-固界面的吸附”“膠體分散體系”和“具有刺激響應的新型表面活性劑(或顆粒)”六部分,前五部分繼承了表面活性劑、膠體與界面化學的部分經(jīng)典內(nèi)容,所選實驗項目已經(jīng)有長期的教學和教改實踐,均取得良好的教學效果;第六部分則試圖反映國內(nèi)外關于“表面活性劑表界面自組裝和剛性顆粒界面自組裝體系對環(huán)境刺激因素具有智能響應”研究的動態(tài)和進展,改編自國內(nèi)外學者的科研論文,對基礎知識和實驗技能的要求相對較高。
本實驗教材力爭滿足:(1)國內(nèi)高校相關化學化工專業(yè)高年級本科生選修有關表面活性劑、膠體與界面化學的實驗教學需求;(2)國內(nèi)以表面活性劑為特色的膠體與界面化學本科專門人才培養(yǎng)的實驗教學需求;(3)國內(nèi)以表面活性劑、膠體與界面化學為研究方向的碩士、博士人才培養(yǎng)的實驗教學和學習需求;(4)國內(nèi)表面活性劑、洗滌劑、化妝品等行業(yè)從業(yè)技術人員的相關實驗技能學習和參考。
考慮到國內(nèi)高校、科研院所和企業(yè)單位的軟、硬件設備今非昔比,同時也考慮到版面的精簡,本書沒有就儀器設備、工具性數(shù)據(jù)和公式推衍進行長篇累牘地細述,若有不當,敬請讀者見諒。本教材的編寫過程中,廣泛參考了國內(nèi)先期出版的相關實驗教材和國內(nèi)外期刊論文,在此向所有被引文獻的作者一并表示誠摯的感謝和敬意。
本教材由江南大學劉雪鋒、樊曄、張永民、劉學民、宋冰蕾和陳暉聯(lián)合編寫,最后由劉雪鋒統(tǒng)稿。限于學識和水平,所選編的實驗項目未必完全滿足讀者的需求;此外,書中疏漏在所難免,如蒙讀者不吝指正,將不勝感激。
劉雪鋒
作者簡介
劉雪鋒,江南大學,教授,博導,系主任,江蘇省高校青藍工程youxiu青年骨干教師(2010)和中青年學術帶頭人(2014),2011年起擔任應用化學系主任。研究領域:應用膠體與界面化學;新型表面活性劑分子設計與合成;納米顆粒制備及其功能性器件自組裝;工業(yè)及日用精細化學品開發(fā)。
Ⅰ純液體表面張力以及溫度的影響規(guī)律001
實驗一滴體積法測定純水的表面張力002
實驗二吊環(huán)法測定純水的表面張力007
實驗三毛細上升法測定純水的表面張力010
實驗四滴外形法測定純水的表面張力013
實驗五溫度對純水表面張力的影響規(guī)律017
Ⅱ液-液界面、液-固界面和鋪展單分子膜019
實驗六旋轉(zhuǎn)液滴法測定油-水界面張力020
實驗七平滑固體表面液體的接觸角024
實驗八液體在固體粉末表面的接觸角028
實驗九不溶物鋪展單分子膜032
實驗十低能固體表面的潤濕臨界表面張力035
Ⅲ表面活性劑在水溶液的表面吸附和體相自組裝038
實驗十一表面活性劑的Krafft點和濁點039
實驗十二Zeta電位法測定兩性表面活性劑的等電點042
實驗十三表面活性劑水溶液的泡沫045
實驗十四表面活性劑水溶液的表面張力曲線048
實驗十五電導法測定離子型表面活性劑的臨界膠束濃度053
實驗十六染料法測定表面活性劑的臨界膠束濃度056
實驗十七熒光探針法測定表面活性劑的臨界膠束濃度059
實驗十八表面活性劑疏水鏈長與臨界膠束濃度的構(gòu)效關系062
實驗十九穩(wěn)態(tài)熒光猝滅法測定表面活性劑膠束平均聚集數(shù)064
實驗二十動態(tài)熒光探針法測定表面活性劑膠束平均聚集數(shù)067
實驗二十一機鹽對臨界膠束濃度和膠束平均聚集數(shù)的影響071
實驗二十二水溶液中表面活性劑膠束的增溶作用074
實驗二十三表面活性劑自發(fā)囊泡的制備和尺寸大小077
Ⅳ表面活性劑在液-液界面和液-固界面的吸附080
實驗二十四油-表面活性劑水溶液的界面張力曲線081
實驗二十五乳狀液的制備、類型鑒別和粒度分析084
實驗二十六微乳液的制備、性質(zhì)及其擬三元相圖087
實驗二十七鹽度掃描法測定微乳液的相轉(zhuǎn)變090
實驗二十八表面活性劑對水在平滑固體表面接觸角的影響093
實驗二十九帆布沉降法測定表面活性劑水溶液的潤濕力095
Ⅴ膠體分散體系098
實驗三十化學凝聚法制備碘化銀(AgI)/銀(Ag)納米水溶膠100
實驗三十一溶膠-凝膠法制備二氧化硅納米溶膠103
實驗三十二溶劑替換法制備松香/硫溶膠106
實驗三十三膠體粒子Zeta電位的測定108
實驗三十四膠體粒子的穩(wěn)定性111
實驗三十五表面活性劑蠕蟲狀膠束的制備115
實驗三十六蠕蟲狀膠束的流變學性能119
實驗三十七表面活性劑濃度對蠕蟲狀膠束流變性能的影響127
實驗三十八疏水鏈長對蠕蟲狀膠束體系流變性能的影響132
實驗三十九溫度對蠕蟲狀膠束體系流變性能的影響135
實驗四十反離子對蠕蟲狀膠束體系流變性能的影響139
Ⅵ具有刺激響應的新型表面活性劑(或顆粒)143
實驗四十一pH響應表面活性劑1146
實驗四十二pH響應表面活性劑2150
實驗四十三CO2響應表面活性劑154
實驗四十四CO2/N2響應微乳液157
實驗四十五CO2/N2響應Pickering乳液161
實驗四十六Redox響應表面活性劑167
實驗四十七光響應表面活性劑171
實驗3-1表面活性劑的Krafft點和濁點
一、實驗目的
1、掌握離子表面活性劑Krafft點和非離子表面活性劑濁點的測定方法;
2、了解添加劑對非離子表面活性劑濁點的影響;
3、理解離子表面活性劑Krafft點和非離子表面活性劑濁點的意義。
二、實驗原理
離子型表面活性劑在水中的溶解度通常隨溫度的升高而緩慢增加,當達到某一特定溫度后,溶解度突然猛增;當溫度低于該溫度時,表面活性劑的溶解度隨之降低,這一溫度稱為離子型表面活性劑的臨界溶解溫度,又稱Krafft點。業(yè)已證明,溫度達到Krafft點及以上時,表面活性劑以膠束的形式溶解于水中;當溫度低于Krafft點時,與常見水溶性離子化合物相似,表面活性劑以單體的形式溶解[1-2]。
就脂肪醇聚氧乙烯醚型(AEOn)非離子表面活性劑而言,EO鏈段與水分子之間形成分子間氫鍵,從而使AEOn溶解于水中。隨著溶液溫度升高,分子間氫鍵斷裂,AEOn的溶解度降低,當升高到某一特定溫度時,濃度為1 wt%的AEOn水溶液可以觀察到突然變渾濁的現(xiàn)象;當溫度低于該特定溫度時,溶液又可恢復為澄清透明,這一溫度稱為非離子表面活性劑的濁點[1-2]。
實踐表明,Krafft點和濁點分別是離子型和非離子型表面活性劑的特性常數(shù)之一,它從一定程度上表征了表面活性劑在水中的溶解性能。通常,Krafft溫度越低、濁點越高分別表明離子型和非離子型表面活性劑的水溶性越好。表面活性劑本身的分子結(jié)構(gòu)、外加無機鹽和有機化合物等均可以影響到Krafft點或濁點。對于非離子表面活性劑而言,無機鹽的存在和極性有機物的添加可使其濁點明顯降低。測定表面活性劑的Krafft點和濁點的方法主要有分光光度法[3]和目視沉淀(渾濁)法[4]。
三、實驗儀器和試劑
分析天平,電爐,溫度計(分刻度0.1 oC),大試管,燒杯等。
十二烷基磺酸鈉(AS),OP乳化劑,直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS),氯化鈉,二次蒸餾水(電導率7.8×10-7 S·cm-1,美國Millipore Synergy UV二次蒸餾水系統(tǒng))。
四、實驗步驟
1、離子表面活性劑Krafft點的測定
稱取一定量的AS于100 mL燒杯中,配制成1 wt%的AS水溶液。取20 mL上述AS水溶液于大試管中,在水浴中加熱并攪拌至溶液變澄清透明,記錄此時溫度T1,然后在冷水浴中繼續(xù)攪拌降溫至溶液中有晶體析出為止,記錄此時溫度T2。重復上述步驟三次,記錄溫度,求取平均值。
2、非離子表面活性劑濁點的測定
稱取一定量的OP乳化劑于100 mL燒杯中,配制成1 wt%的OP乳化劑水溶液。取20 mL上述OP乳化劑水溶液于大試管中,在水浴中加熱并攪拌,仔細觀察溶液透明度的變化。當溶液出現(xiàn)第一絲渾濁時,記錄此時溫度T3;繼續(xù)加熱至溶液完全渾濁后,停止加熱,取出大試管邊攪拌邊冷卻降溫,記錄溶液變澄清時的溫度T4。重復上述步驟三次,記錄溫度,求取平均值。
3、添加劑對非離子表面活性劑濁點的影響
1)取20 mL上述OP乳化劑水溶液于大試管中,加入0.1 g氯化鈉,充分溶解后,按照步驟2測定該體系的濁點。
2)取20 mL上述OP乳化劑水溶液于大試管中,加入1 wt%LAS水溶液1-3滴,按照步驟2測定該體系的濁點。繼續(xù)加入1 wt%LAS水溶液2.5 mL,按照步驟2測定該體系的濁點。
五、數(shù)據(jù)記錄與處理
1、離子表面活性劑的Krafft點
序號T1/oC T2/oC平均值
1
2
3
平均值
2、非離子表面活性劑的濁點
OP乳化劑水溶液加入0.1 g氯化鈉
序號1 2 3平均值1 2 3平均值
T3/oC
T4/oC
加入1-3滴LAS水溶液加入2.5 mL LAS水溶液
序號1 2 3平均值1 2 3平均值
T3/oC
T4/oC
六、思考題
1、升溫法和降溫法測定非離子表面活性劑的濁點是否存在差別?
2、非離子表面活性劑濁點高于100 oC時如何測定?
3、如何提高非離子表面活性劑的濁點?
七、參考文獻
[1]顏肖慈,羅明道.界面化學.北京:化學工業(yè)出版社,2004.
[2]崔正剛.表面活性劑、膠體與界面化學基礎.北京:化學工業(yè)出版社,2013.
[3]Chu Z,Feng Y.Empirical correlations between Krafft temperature and tail length for amidosulfobetaine surfactants in the presence of inorganic salt.Langmuir,2012,28:1175-1181.
[4]HatōM,Shinoda M.Krafft points of calcium and sodium dodecylpoly(oxyethylene)sulfates and their mixtures.J.Phys.Chem.,1973,77:378-381.