本書系統(tǒng)地概述了表面活性劑、膠體與界面化學(xué)的基礎(chǔ)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(xué)的實驗技能訓(xùn)練和研究方法學(xué)習(xí)。適合高年級本科生、碩士生和博士生的實驗和研究方法學(xué)習(xí),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(shù)人員的相關(guān)實驗技能學(xué)習(xí)和參考。
膠體與界面化學(xué)是化學(xué)科學(xué)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(xué)科,涉及國民經(jīng)濟生產(chǎn)和個人生活的眾多領(lǐng)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(xué)校關(guān)于表面活性劑、膠體與界面化學(xué)的學(xué)科發(fā)展,起于中華人民共和國成立后的北京大學(xué)和南京大學(xué)。江南大學(xué)(其前身之一為錫輕工大學(xué))自錫輕工業(yè)學(xué)院(錫輕工大學(xué)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(xué)科學(xué)與技術(shù)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(xué)高級專門人才。
1980年左右,夏紀鼎教授在錫輕工業(yè)學(xué)院開設(shè)以表面活性劑為特色的“表面化學(xué)”理論和實驗課程,但一直沒有出版過實驗教材;自先后學(xué)習(xí)并畢業(yè)于錫輕工大學(xué)和江南大學(xué)后,本人一直從事表面活性劑、膠體與界面化學(xué)的科研和教學(xué)。隨著教學(xué)改革和課程建設(shè)的深入推進,編寫并出版一本表面活性劑、膠體與界面化學(xué)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(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院和化學(xué)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(xué)“表面化學(xué)實驗講義”為基礎(chǔ)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(yīng)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(xué)的部分經(jīng)典內(nèi)容,所選實驗項目已經(jīng)有長期的教學(xué)和教改實踐,均取得良好的教學(xué)效果;第六部分則試圖反映國內(nèi)外關(guān)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(yīng)”研究的動態(tài)和進展,改編自國內(nèi)外學(xué)者的科研論文,對基礎(chǔ)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(guān)化學(xué)化工專業(yè)高年級本科生選修有關(guān)表面活性劑、膠體與界面化學(xué)的實驗教學(xué)需求;(2)國內(nèi)以表面活性劑為特色的膠體與界面化學(xué)本科專門人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)需求;(3)國內(nèi)以表面活性劑、膠體與界面化學(xué)為研究方向的碩士、博士人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)和學(xué)習(xí)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(shù)人員的相關(guān)實驗技能學(xué)習(xí)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(shè)備今非昔比,同時也考慮到版面的精簡,本書沒有就儀器設(shè)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(dāng),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(guān)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(xué)劉雪鋒、樊曄、張永民、劉學(xué)民、宋冰蕾和陳暉聯(lián)合編寫,最后由劉雪鋒統(tǒng)稿。限于學(xué)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(xué),教授,博導(dǎo),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(xué)術(shù)帶頭人(2014),2011年起擔(dān)任應(yīng)用化學(xué)系主任。研究領(lǐng)域:應(yīng)用膠體與界面化學(xué);新型表面活性劑分子設(shè)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(xué)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(dǎo)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(guān)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(xué)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(xué)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(yīng)的新型表面活性劑(或顆粒)143
實驗四十一pH響應(yīng)表面活性劑1146
實驗四十二pH響應(yīng)表面活性劑2150
實驗四十三CO2響應(yīng)表面活性劑154
實驗四十四CO2/N2響應(yīng)微乳液157
實驗四十五CO2/N2響應(yīng)Pickering乳液161
實驗四十六Redox響應(yīng)表面活性劑167
實驗四十七光響應(yīng)表面活性劑171
實驗3-1表面活性劑的Krafft點和濁點
一、實驗?zāi)康?
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(dāng)達到某一特定溫度后,溶解度突然猛增;當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)溫度低于該特定溫度時,溶液又可恢復(fù)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(dǎo)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(fù)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(dāng)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(fù)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(xué).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[2]崔正剛.表面活性劑、膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ).北京:化學(xué)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.