表面活性剂在纳米技术中的应用.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、、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 (critical micelle concentration) ,用C
6、MC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Vander waals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
7、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Hydrophile Lyophile Balance的缩写,即亲水亲油平衡。范围为140。 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
8、:,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
9、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
10、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
11、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: 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。 EO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。 温度升高,可能从两方面对分子在界面上的
12、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。 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
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- 表面活性剂 纳米技术 中的 应用
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