界面化学往年题解答

一．界面活性物质产生协同效应的根源表面活性剂复配的目的是产生协同效应，即经过复配的表面活性剂具有比单一表面活性剂更好的使用效果：如提高表面活性剂的性能；降低表面活性剂的应用成本；减少表面活性剂对生态环境的破坏（污染）。在复配体系中，不同类型和结构的表面活性剂分子间的相互作用，决定了整个体系的性能和复配效果。一般情况下两种表面活性剂分子间是相互吸引的作用。这种吸引力主要来源于分子间的静电引力，与表面活性剂分子结构密切相关，并受温度及电解质等外界因素的影响。复配产生加和增效作用时，会使表面活性剂的各种性能得到改善和提高。阴离子-阴离子表面活性剂复配体系此类复配体系若产生加和增效作用，会使表面张力降的更低，使洗涤性、去污性及润湿性和乳化性均有提高，而克拉夫特点则会降低。但需要指出的是这一体系的复配，只有在具有特定结构时才会产生加和增效作用。阴离子-阳离子表面活性剂复配体系阴离子-阳离子表面活性剂分子间的相互作用力较强，他们的复配体系在降低表面张力、混合胶束的形成方面都显示了较强的加和增效作用，在润湿性能、稳泡性能和乳化性能等方面也有较大的提高。目前这一类复配体系已经在纤维和织物的柔软和抗静电处理、泡沫和乳液的稳定等方面得到了较为广泛的应用。但应当注意的是这两类表面活性剂复配时，容易生成不溶性的盐从溶液中析出，从而失去表面活性，因此应慎重选择表面活性剂的品种。阴离子-两性表面活性剂复配体系这一体系两种表面活性剂分子的作用方式与介质的酸碱性有关，泡沫高度存在最大值，降低表面张力性质上也出现最大加和增效作用。阴离子-非离子表面活性剂复配体系此类复配体系既可能提高也可能降低胶束的增溶作用。不同增溶效果的出现与两种表面活性剂分子的相互作用和混合胶束的形式有关。一般认为，当非离子表面活性剂的烃链较长、环氧乙烷加成数较小时，与阴离子表面活性剂复配容易形成混合胶束。而当烃链较短、环氧乙烷加成数较大时，则容易形成富阴离子表面活性剂和富非离子表面活性剂两类胶束，他们在溶液中共存。阳离子-非离子表面活性剂复配体系在阳离子表面活性剂溶液中加入非离子表面活性剂，可以使临界胶束浓度显著降低。是阳离子表面活性剂的离子基团与非离子表面活性剂的极性聚氧乙烯基相互作用的结果。非离子-非离子表面活性剂复配体系多数聚氧乙烯非离子表面活性剂本身便是混合物，其性质与单一物质有较大差别，通常疏水基相同、环氧乙烷加成数相近的两种非离子表面活性剂混合时，近乎理想溶液，容易形成混合胶束，其混合物的亲水性相当于这两种物质的平均值，当两种表面活性剂的环氧乙烷加成数和亲水性相差较大时，混合物的亲水性高于二者的平均值，油溶性的品种有可能增溶于水溶性表面活性剂的胶束中。二．界面活性剂在热力学不稳定体系转化为稳定体系时所起的作用以及原理一个体系的稳定性可由体系的总能量的大小来表征，热力学不稳定体系通常具有较高的体系能量，并且具有降低其表面能以达到一个稳定状态的趋势。表面活性剂，其分子结构均由两部分构成，分子的一端为非极亲油的疏水基，分子的另一端为极性亲水的亲水基，两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接，形成了一种不对称的、极性的结构，因而赋予了该类特殊分子既亲水又亲油。在热力学不稳定体系中加入表面活性剂之后，表面活性剂由于具有两亲性会在体系的分散相粒子表面上形成一定向吸附层，这样的吸附结构一方面降低了体系的界面张力，也就是降低了体系的表面能，使体系处于一个相对较低能量的状态，另一方面表面活性剂会通过吸附在在粒子表面使粒子带上同种电荷从而形成了一个电势垒以相互排斥，或者利用自身分子结构上较大的空间势垒来阻止粒子之间的相互吸引和聚集，这就阻止了热力学不稳定体系收缩聚集以降低体系能量的趋势，在宏观上即表现为一个较稳定的体系。例如，在乳化过程中表面活性剂的作用是吸附在油-水界面上，通过降低界面张力，帮助液滴分散并形成牢固的界面膜，防止分散液滴聚结。乳化是将水或油以微小珠滴形式分散到另一种物质中，得到热力学不稳定体系，时间延长会出现两相分离。HLB值大的表面活性剂可做O/W（水包油）乳状液的乳化剂；HLB值小的表面活性剂可做W/O（油包水）乳状液的乳化剂。而增溶作用是表面活性剂胶束把水或油溶解到自身组织中，所形成的体系是热力学稳定的单一液相。此外，泡沫是指气体分散在液体中的分散体系。表面活性剂可用作发泡剂，使气泡稳定存在；也可作稳泡剂：在作为起泡剂的表面活性剂中加入少量极性有机物可提高液膜的表面粘度，增加泡沫的稳定性，以期延长泡沫寿命，增加稳定性。三．界面活性物质在自组装方面的应用表面活性剂在溶液中的自聚（或称自组、自组装）形成多种不同结构、形态和大小的聚集体。由于这些聚集体内的分子排列有序，所以常把它们称为分子有序组合体或有序分子组合体，将这种溶液成为有序溶液。最常见的分子有序组合体是胶团或称胶束。其他的分子有序组合体还有反胶团、囊泡等一般，具有较小头基的分子，例如带有两个疏水尾巴的表面活性剂，易于形成反胶团或层状胶团；具有单链疏水基和较大头基的分子或离子易于形成球形胶团；具有单链疏水基和较小头基的分子或离子易于形成棒状胶团；加电解质于离子型表面活性剂水溶液将促使棒状胶团生成。由表面活性物质自组装所表现出来的多种功能中，最基本的是增溶作用，基于这种作用，衍生出胶团催化，微乳状液，间隔化反应介质，微反应器和药物载体等功能。表面活性剂分子有序组合体的质点大小或聚集分子层厚度接近纳米数量级，本身有类似“量子尺寸效应”，可以提供形成“量子尺寸效应”超细微粒的适合场所和条件，可以作为制作超细微粒的模版，分子有序组合体的特殊结构使其成为模拟生物膜的最佳选择；分子有序组合体可以再聚形成有序的高级结构，表现出新奇而复杂的相行为，异常的流变性质，光学特性，化学反应性，因而具有其他的一些特殊的应用功能。四．考虑外界因素对界面活性物质的影响1电解质（无机盐）无机盐的加入:可降低离子表面活性剂的cmc值，即提高了表面活性。对于碳氢链长相同的正、负离子表面活性剂混合物影响不大。对于非离子表面活性剂影响不大。无机盐对离子型表面活性剂的溶解性影响较大，可使其自溶液中盐析出来。非离子及两性表面活性剂的溶解性对无机盐相对不太敏感。阴离子表面活性剂对多价金属离子很敏感。非离子及两性表面活性剂的耐盐性能较强。电解质的加入，一般都使浊点降低。2有机物的影响长链的极性有机物一般都能提高表面活性剂的表面活性。如长链脂肪醇可降低表面活性剂溶液的cmc，溶液中醇的存在就使胶团容易形成，可显著降低表面活性剂溶液的表面张力。短链醇在浓度小时可使表面活性剂的cmc降低；在浓度高时，则cmc随浓度变大而增加。水溶助长剂如尿素、甲基乙酰胺的加入将显著的提高浊点使活性剂的表面活性下降（cmc及γ升高）。这类化合物也能使表面活性剂在水中的溶解度大为增加。另外一类强极性的、水溶性的添加物，如果糖、木糖以及山梨糖醇、环己六醇等，则使表面活性剂的cmc降低。3温度离子型表面活性剂的cmc会随温度的增加而略有上升。对非离子表面活性剂，升高温度cmc值均下降4酸、碱一般阴离子表面活性剂在碱性液中稳定，在强酸溶液中不稳定。阳离子表面活性剂中，有机胺的无机酸盐在碱液中不稳定。对非离子表面活性剂，一般能稳定存在于酸、碱液中。两性表面活性剂一般容易随pH值的不同而改变性质。凡具有酯结构的表面活性剂，在强酸，强碱溶液中都容易发生水解。5容器一般在玻璃或铁质容器中易形成O/W型乳状液，在塑料容器中易形成W/O型乳状液。五．论述怎样用无机纳米纤维来增强高分子聚合物作为复合材料中的分散相和增强体，无机填料可以提高复合材料的力学性能诸如强度、模量，还能提高材料的耐磨性从而延长材料的使用年限，同时由于填料与基体的模量有差别所以在聚合收缩过程中可以起到一定的抑制聚合收缩率的作用，特别是纳米结构的填料具有巨大的比表面积，其表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特征使得其在很少的质量分数下就可以较大的提高材料的性能，但是一般情况下，无机纳米纤维的模量一般远远大于基体树脂，因此直接填料的界面结合不会太好，并且无机纳米纤维的表面能较高，容易发生团聚，这就事使它在聚合物中难以实现均匀分散，要作为高聚物的增强材料，无机纳米纤维必须与聚合物骨架紧密结合，这样才能使应力有效地转移到无机纳米纤维上。为了解决界面结合的问题，表面活性剂的表面活化成为一个比较好的办法，表面活性剂分子结构具有两亲性，一端为极性的亲水基团，可以与无机纳米纤维的表面形成吸附结构，从而更有效地降低了无机纳米纤维的表面张力，阻止其发生团聚现象；另一端的非极性憎水基团可以和基体高聚物充分分散，这两种效应的结合使得无机纳米纤维填料与高聚物基体很好的结合成一个整体，达到提高综合性能的效果。