表面活性剂在纳米技术中的应用

表面活性剂在纳米技术中的应用应用化学专业课件第一章发展概况一、表面活性剂和纳米材料技术的关系二、表面活性剂在纳米材料制备中作用1.控制纳米微粒大小、形状表面活性剂分子结构特点决定其在溶液中必然形成胶团，而胶团的大小和胶团的数目是可以通过控制表面活性剂结构决定。2.改善纳米微粒表面性能表面活性剂可以控制纳米微粒的亲水性或亲油性、表面活性，并对纳米微粒表面进行改性：亲水基团与表面基团结合生成新结构；降低表面能，使之处于稳定状态：形成空间位阻，防止再团聚3.控制纳米材料结构表面活性剂的两亲性结构决定其在溶液表面能形成分子定向排列，利用该特性可以选择特定结构的表面活性剂制备理想的纳米结构材料。例如采用高分子表面活性剂的可聚合单体，在溶液中形成定向排列。然后引发聚合，就可以得到与原始胶团结构一样的纳米结构材料三、表面活性剂在制备中的一些应用1.合成粉体材料化合物纳米材料（ZnO、SiO2、ZnS等）单质纳米材料（Au、Ag、Si等）纳米结构材料（利用模板效应，合成制备单分子膜，LB膜，纳米多孔材料，纳米单晶，纳米组装材料等）2.对纳米粉体进行表面改性颗粒表面修饰薄膜界面改性3.表面活性剂在粉体应用中的作用纳米在介质中的分散表面活性剂对纳米微粒的功能性影响四、表面活性剂科学发展对纳米技术的影响1.表面活性剂结构对纳米材料的影响可以直接影响纳米粉体材料的粒度、粒度分布、纳米微粒的形状和纳米材料的结构2.表面活性剂性能对纳米材料的影响表面活性剂有许多功能，但结构决定了在某种场合下，一那一种性能为主3.分子量对纳米材料的影响分子量的大小，不仅影响材料的大小形状，也影响纳米微粒表面改性、表面功能、表面性能第二章表面活性剂的分类、功能和作用原理一、定义与分类1.表面活性剂对于某种水溶液，加入少量溶质，溶液表面张力急剧下降，但达到一定浓度后，随着溶液浓度增加表面张力值不再变化。加入的这种溶质就叫表面活性剂。它对水溶液有表面活性。例：有机酸盐、有机胺盐、磺酸盐、苯磺酸盐、聚乙烯醚等2.分类（1）根据来源：合成表面活性剂——主要来源于石油化学制品的烃类天然表面活性剂——以天然油脂为原料生物表面活性剂——由细菌、酵母和真菌等多种微生物产生（2）根据亲水基的不同：脂肪酸系——微生物培养可制得，有覆盖霉菌酸，青霉孢子酸的钠盐及烷基胺盐。洗涤能力超强。磷脂系——大豆和蛋黄制得。是制备脂质体的主要原料。糖脂系——是假单胞菌在以正构烷烃为唯一碳源的培养基时得到。应用于食品药和生物制剂。酰基缩氨酸系——有枯草杆菌等培养。具有很好的表面活性。如下面这种活性蛋白的脂肽：生物高分子表面活性剂——利用没的催化活性使明胶等水溶蛋白质与氨基酸的烷基反应得到（3）根据表面活性剂亲水性质分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子表面活性剂等阴离子表面活性剂:阳离子表面活性剂:两性表面活性剂：在水溶液中同一分子上可以形成阴离子和阳离子构成内盐。与其他表面活性剂混合使用有很好的相容性及协同作用，具有很强的功能性。非离子表面活性剂：在水中和有机溶剂中均可溶解，在固体表面上可强烈吸附，有较高的耐硬水性；在纳米材料合成中易于形成胶团，纳米粉体中应用较多。3.表面活性剂的理化性质与生物性质临界胶束浓度表面活性剂在溶液中超过一定浓度时会从单体（单个离子或分子）缔合成为胶态聚合物，即胶束（或称胶团）。开始形成胶束的浓度称为临界胶束浓度(criticalmicelleconcentration)，用CMC表示。当溶液中形成胶束后溶液的性质如渗透压、浓度、界面张力、摩尔电导等都存在突变现象。（一）胶束的形成、大小与形状胶束的形成:在临界胶束浓度时水分子的强大凝聚力把表面活性剂分子从其周围挤开，迫使表面活性剂分子的亲油基和亲水基各自互相接近，排列成亲油基在内、亲水基在外的球形缔合体，即胶束。因此胶束的形成并不是由于亲油基和水分子间的斥力或亲油基彼此间的Vanderwaals引力所致，而是受水分子的排挤所致.不同类型的表面活性剂，在浓度由小到大所形成的胶束有不同的形状，如下所述（球＼棒＼束＼板＼层状）。若在表面活性剂浓溶液中加入适量的非极性液体，则可形成亲水基指向胶束内，烃链指向非极性液体的胶束，称为反胶束。（二）临界胶束浓度的测定由于表面活性剂的物理性质在临界胶束浓度附近的较小范围内会发生突变，所以利用此特性，可测定CMC值。测定方法有多种，二种常用的方法是表面张力法、电导法。二、HLB值的计算表面活性剂在不同性质溶液中所表现出的活性，可由其亲水亲油平衡值HLB来表示。HLB是HydrophileLyophileBalance的缩写，即亲水亲油平衡。范围为1～40。定义式：对于只含（CH2CH2O）的非离子表面活性剂的HLB值的计算公式为：对于多元醇脂肪酸酯，公式为：皂化值不易测定，其HLB数有正有负的表面活性剂适用公式：常见表面活性剂的HLB值见表：三、胶团形成理论1.表面活性剂作用的溶液有两种，即水溶液和油溶液。2.正胶团与反胶团水溶液中，表面活性剂形成胶束，亲油基朝里，亲水基朝外为正胶团。油溶液中所形成的胶束则相反，成为反胶团。一般反胶团形成的溶液成为微乳液，也属热力学稳定体系。3.微乳稳定性机理：第一种学派——负界面张力说，Schulman等人提出。在溶液中，当大量的表面活性剂和助表面活性剂被吸附在油-水界面膜上具有负的界面张力，溶液自动形成微乳；第二种学派——胶团肿胀说，Winsor等人和Shinoda等人提出。微乳液的形成是油相或水相在正胶束或反胶束中增溶，并使胶束肿大到一定颗粒大小范围内时生成的，由于增溶作用是自发的过程，所以微乳相是自发生成的。4.弯矩效应——弯矩在正胶团体系中的作用。（弯矩是指各向异性的界面上应力的法向分量与切向分量之差的第一阶矩。）与表面活性剂分子的几何构型和荷电特性有关。论点：在胶团体系中，负值的表面活性剂作用形成的溶液界面张力将促使体系形成大量的微小胶团，而微小胶团的大量形成将使界面张力上升到一个很小的正值。四、表面活性剂在界面上的作用1.界面两种不同物理状态物质相交的接触面。在界面上液体或固体表面分子所受到的力场是不同的。表面活性剂的作用主要体现在界面上。表面活性剂对纳米微粒影响最大的功能有两个，一是吸附（广泛应用于无机纳米材料的制备和应用）另一是加溶，广泛应用于有机纳米材料的制备和应用。了解表面活性剂在界面上的作用可以有效的解决微粒的合成细化、稳定、表面修饰和改性等问题。2.表面活性剂在界面上的吸附可以用吉布斯公式表示：通过吉布斯公式可以选择表面活性剂或计算胶团尺寸。（1）表面活性剂在气-液界面上的吸附可以根据上边公式计算出表面吸附量的值，并从吸附量值计算出表面上每个表面活性剂分子所占的平均面积。将此面积与来自分子结构计算出来的分子大小相比较可判断表面活性剂分子在吸附层中的取向和排列状态。分子在溶液表面所占面积变化规律：浓度稀时吸附量小，分子在溶液表面所占面积小；随浓度增加吸附量增大，其所占面积增大；当吸附量达到饱和时，分子在溶液表面所占的面积基本恒定。表面活性剂分子在不同的溶液浓度下表面取向的可能性：有分子在表面的排列状态可以判断分子在界面上作用，可以设计不同表面活性剂的最佳浓度以期得到理想的结构材料。（2）表面活性剂在油-水界面上的吸附分子富集于油-水界面上，表现为表面活性剂在油-水界面的正吸附，如图：有研究者提出了对于非离子型表面活性剂分子在煤油水界面上的吸附状态模型：①低温下，如2-12a，EO和部分PO伸入水相，而大部分PO则以多点式在煤油-水界面上发生吸附。②EO含量愈高，伸入水相部分愈多；PO含量愈高，其与油-水界面接触的点数愈多，因而分子在油水界面上所占面积愈大。③温度升高，可能从两方面对分子在界面上的状态发生影响——醚键氧原子上的氢键断裂,EO、PO由水相转入油水界面，扩大分子在油-水界面上所占面积；PO界面上的接触点部分脱离进入油相，点数下降，分子在界面上所占面积。④若以芳烃代替煤油作油相，则分子中EO链段伸入水相，而PO链段伸入油相。结论：非离子表面活性剂在油-水界面上的吸附，不仅受到分子结构的影响，还受到温度和油—水体系中油的性质的影响。五、表面活性剂的功能（作用）1.表面活性剂的润湿功能（1）.基本概念润湿：固体表面上的气体（或液体）被液体(或另一种液体)取代的现象。包括：沾湿、浸湿、铺展三种类型。•沾湿沾湿过程就是当液体与固体接触后，将液—气和固—气界面变为固—液界面的过程。大气中的露珠附着在植物的叶子上，雨滴粘附在塑料雨衣上等，均是粘湿过程。•浸湿浸湿是指固体浸入液体中的过程，其实质是固—气界面被固—液界面所代替。•铺展铺展过程是固—气界面被固-液界面代替的过程．（2）．接触角与扬氏方程（1）接触角：达平衡时，在气，液，固三相交界处，自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角称为接触角。(图中角θ)θ=0°或不存在铺展０°＜θ＜９０°浸湿０°≤θ＜１８０°沾湿θ＝１８０°完全不润湿根据接触角的大小判断润湿情况接触角越小，液体的润湿性越好!润湿方程（杨氏方程）cosθ=gs-ggs-lgl-g可通过改变界面张力的大小来改变物质的润湿性能！（3）.表面活性剂的润湿功能(1)提高液体的润湿能力（在水中加入表面活性剂降低表面张力，使水在固体发生铺展）---润湿剂(2)改变固体表面的润湿性质（极性基团吸附在固体表面，非极性基团朝向气体形成定向排列吸附层，反润湿作用）----防水剂2.表面活性剂的乳化和破乳作用（1）.乳状液概念：两种互不混溶的液体，一种以微粒（液滴或液晶）形式分散于另一种中形成的体系。组成：分散相、分散介质和表面活性剂（乳化剂）分类：根据其分散情形可以分为三种类型：•油／水(O／w)型乳液型油分散在水中，油为分散相(内相)，水为连续相(外相)的水包油型乳化液，可用水稀释．如牛乳、豆浆等。•水／油(w／O)型乳液型水分散在油中，水为分散相(内相)，油为连续相(外相)的油包水型乳化液，可用油稀释，如人造奶油．原油等。•多元乳液分水包油包水(w／O／w)型和油包水包油(O／w／O)型。（2）.乳化剂的作用原理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。（3）.乳化剂的选择HLB值大的表面活性剂可做O/W乳状液的乳化剂；HLB值小的表面活性剂可做W/O乳状液的乳化剂。（4）.影响乳状液稳定性的因素•界面张力：界面张力的降低及界面膜的形成与强度是乳状液稳定性的主要影响因素。•油-水界面膜：界面膜中分子排列越紧密，界面膜的强度越强，乳状液的稳定性越好。脂肪醇、脂肪酸及脂肪胺等极性有机物可增加界面膜的紧密度强度。•粘度：分散介质的粘度越大，则分散相液珠运动的速度越慢，有利于乳状液的稳定。•界面电荷：若表面活性剂是离子型的，则在界面上的吸附成为油珠所带电荷的主要来源（主要是对O/W乳液而言）它们使液滴接近时相互排斥，阻止了液滴的聚结，乳状液稳定。•添加物：添加粉末乳化剂（碳酸钙、粘土、碳黑、石英、金属氧化物）能提高稳定性。•其它：温度、机械作用、电解质（对离子型乳化剂的乳状液影响大）、体系pH值等。（4）.影响乳状液稳定性的因素概念：乳状液发生油水分层的现象。破乳剂的作用原理：•能将原有的乳化剂从界面上顶替出来；•加入的表面活性剂不能形成牢固的界面保护膜；（5）.破乳•原油破乳的过程1.破乳剂的溶解与扩散2．破乳剂替代天然乳化剂3．破坏界面膜4．油水分离破乳剂加入原油乳状液后，让它分散在整个油相中，并能进入被乳化的水珠上。由于破乳剂具有很高的活性，可把天然乳化剂从界面上顶替下来。由于破乳剂吸附于油水界面后，不能形成结实的界面膜。界面膜被破坏后，水珠在互相靠近时，很容易发生聚结成大水珠。水珠下沉从油相中分离出来，乳化原油就被破乳了。增溶概念：表面活性剂在水溶液中形成胶束后具有能使不溶或微溶于水的有机物的溶解度显著增大的能力，且溶液呈透明状，这种作用称为增溶。增溶方式：增溶于胶束内核；增溶物分子与形成胶束的表面活性剂分子穿