泡沫和乳状液在生物、制药、工业和个人护理用品等方面有着重要的应用,表面活性剂在界面上的聚集行为显著影响着泡沫和乳状液的稳定性能。因此,有关表面活性剂在界面上聚集行为的研究一直是人们倍感兴趣的课题[1-2]。界面张力法是研究表面活性剂界面行为的最经典和有效的方法,利用该方法可以获得表面活性剂在界面的吸附量、极限分子占据面积、临界胶束浓度等信息[3-4]。但是对于某些体系,界面张力值对界面层的变化并不敏感,不能反映其在界面发生的构象变化或分子间相互作用等信息,而这些信息对泡沫和乳状液稳定性起着重要作用[5-6]。近年来,随着理论模型和实验工作不断取得进展,界面流变学的研究逐渐成为一大热点[7-10]。界面流变性是界面重要的动态特性,根据形变方式的不同,主要分为界面扩张流变[11]和界面剪切流变[12]。实验和理论研究表明,扩张流变参数通常比剪切流变参数大几个数量级,因此,扩张流变性的研究对理解界面性质更具指导意义。通过扩张流变性质的研究,不但可以获得界面上分子排布情况,而且还可以获得界面层分子间相互作用、超分子聚集体等信息,在理论和实践中都有着特殊的意义[13-17]。赵濉、俞稼镛等[18-25]对多种表面活性剂的界面扩张流变行为展开了系统的研究工作,获得了诸多有价值的信息。赵剑曦等[26-28]通过测量体系界面扩张流变性,针对一系列阳离子偶联表面活性剂在水溶液及豆蔻酸盐/水体系界面吸附及聚集行为进行了系统的研究,取得了有意义的成果。徐桂英课题组[7, 29-30]研究了3种碱性氨基酸存在与否时脱氧胆酸钠在气液界面的聚集行为及氟碳改性聚(丙烯酰胺)在气液界面的扩张流变性,探讨了一定温度下四丁酚醛、聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)和十六烷基三甲基溴化铵混合水溶液的表面张力及扩张粘弹性,为表面活性剂体系的实际应用提供了基础数据和理论指导。
本文利用界面扩张流变技术研究了两性离子液体表面活性剂1-磺丙基-3-十二烷基咪唑内盐(C12imSP)在空气/水界面的聚集行为,考察传统阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对C12imSP溶液界面聚集行为的影响,探讨其影响机制,旨在为更全面地了解表面活性剂及其混合体系分子的界面行为提供信息。
AL204型电子分析天平(美国Mettler Toledo公司);DHG-9070A型电热鼓风干燥箱(上海一横科技有限公司);水浴恒温槽(自制),温度控制精度±0.1℃;SY5200-D型超声波清洗器(上海声源超声波仪器有限公司);TRACKER型界面扩张/压缩流变仪(法国TECLIS-IT Concept公司)。
十二烷基硫酸钠(SDS),质量分数≥99%,购于Acros公司;氯化钠,分析纯,购于上海凌峰化学试剂有限公司;两性咪唑类离子液体表面活性剂C12imSP由本实验室依照文献合成[31-32],分子结构式如Scheme 1所示,产品经1H NMR检验无杂质;实验用水为超纯水,(25.0±0.1)℃时的表面张力为71.70 mN/m,电阻率为18.2 MΩ·cm。
配制一定浓度的待测溶液(由于C12imSP在水中的溶解度很低,因而本文选用0.1 mol/L NaCl盐溶液为溶剂),将配制好的样品放入超声池中分散10 min,于25℃水浴中放置12 h以上。采用TRACKER界面流变仪,通过对悬挂气泡的振荡,利用滴外形分析方法测定样品的界面张力。界面是通过毛细管末端的气泡与容器中的溶液接触获得。界面面积的改变通过调节气泡的大小得以实现。通过相应软件处理电荷耦合元件(CCD)照相机所摄到的气泡形状,可同时获得界面面积和界面张力。为了确保实验的精确度,每次实验时都是新形成一个气泡,摄像机能摄到气泡面积的瞬间变化,从而可以得到平衡界面张力。
体系界面粘弹性的获得是先测得体系吸附过程的动态界面张力,直到界面张力达到完全平衡为止。待体系完全达到平衡后,通过马达做周期性运动得到界面扩张粘弹性数据,工作频率为0.033~0.50 Hz,扩张形变(ΔA/A)为10%。实验过程中用循环水浴控制体系温度,所有实验均在(25.0±0.1)℃下进行。
界面扩张粘弹性可直观地反映界面膜抵抗扩张形变的能力,其产生的微观基础是发生在界面及其附近的微观弛豫过程。当界面受到周期性压缩和扩张时,界面张力相应随之发生周期性变化,扩张模量定义为界面张力变化与相对界面面积变化的比值[33-35],即
式中,ε为扩张模量,γ为界面张力,A为界面面积。由于扩张模量中粘性部分的存在,应力与界面面积相对变化之间存在一定的相位差,这种相位差称为扩张粘弹性的相角θ。相角是界面膜粘弹性的定量表征,反映粘性部分和弹性部分贡献的比值。扩张模量可写作复数形式:
式中,ω为界面面积正弦变化的频率,εd为扩张弹性,或称弹性模量、储能模量;ηd为扩张粘度,ωηd为粘性模量,或损耗模量。储能模量和损耗模量可反映粘弹性表面的弹性部分和粘性部分的贡献。
扩张弹性和扩张粘度可按下式计算获得:
界面扩张粘弹性参数随扩张频率的变化能反映界面吸附膜性质。图 1给出了25.0℃时不同浓度表面活性剂C12imSP/0.1 mol/L NaCl溶液表面的扩张模量、弹性模量、粘性模量和相角随频率的变化曲线。由图 1A可知,表面活性剂浓度不同,体系的扩张模量对频率的依赖关系有着明显的差异。当体系中表面活性剂C12imSP浓度较低时(1×10-6 mol/L),扩张模量几乎不随扩张频率的变化而改变,这意味着界面面积变化的快慢对界面张力改变影响不大,说明此时在界面上起主导作用的弛豫过程较慢,其特征时间远远慢于实验周期,界面吸附膜的弹性较强。随着表面活性剂浓度的提高,扩张频率对扩张模量的影响逐渐增强,扩张频率越大,体系的扩张模量越大,而相角越小(图 1D)。显然,扩张频率越大,给予被扰动的界面吸附膜通过扩散交换等弛豫过程重新恢复平衡的时间就越短,扩张模量增大;同时,由于弛豫过程作用时间较短,贡献较小,粘性部分所占比例降低,相角逐渐减小。
粘性模量与发生在界面上和界面附近的各种微观弛豫过程密切相关,反映了表面膜阻滞形变的能力,是界面膜的液态性质[36]。粘性模量随频率的变化曲线可以直观地反映出界面上或界面附近的弛豫过程和特征频率[10]。图 1B给出了表面活性剂浓度不同时C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液表面的粘性模量随频率的变化曲线。由图可知,当溶液中表面活性剂浓度较低时,粘性模量几乎不随频率的变化而变化。这是由于此时表面上分子重排的慢弛豫过程控制表面膜性质,该慢弛豫过程特征频率小于所考察的最低频率0.033 Hz,因此在实验频率范围内(0.033~0.5 Hz),粘性模量几乎不随频率的变化而变化。随着表面活性剂浓度的增加,表面和体相间分子扩散作用逐渐增强,体相和界面间分子扩散交换的快弛豫过程逐渐控制表面膜性质;在实验频率范围内,表面上起主导作用的分子扩散交换的快弛豫过程特征频率可能大于所考察的最高频率0.5 Hz,粘性模量随频率单调增加。
弹性模量与分子间的相互作用相关,反映了界面膜恢复形变的能力,是界面膜的固态性质[36]。图 1C给出了表面活性剂浓度不同时C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液表面的弹性模量随频率的变化趋势。由图 1A和图 1C可以看出,弹性模量和扩张模量随扩张频率的变化趋势是一致的。表面活性剂浓度较高时,扩张频率的增大会引起界面形变时产生更高的界面张力梯度,最终导致弹性模量增大。
此外,我们观察到,随着表面活性剂浓度的提高,界面膜的粘、弹性模量均有所提高,但粘性部分的贡献逐渐增强,相应的相角增大(如图 1B、C、D所示)。当表面活性剂浓度提高到5×10-5 mol/L时,界面膜的粘、弹性模量达到最大值,此时,扩张粘性对扩张模量贡献起主导作用,相角明显大于45°。继续提高表面活性剂的浓度,界面膜的粘、弹性模量则明显下降,但粘性仍起主导作用。
图 2给出了不同频率下表面活性剂C12imSP/0.1 mol/L NaCl溶液表面的扩张模量随体相表面活性剂浓度的变化曲线。由图 2可知,不同频率下溶液界面扩张模量随体相浓度变化趋势一致。
随着体系中表面活性剂浓度的提高,溶液界面扩张模量逐渐增大;当表面活性剂浓度达到5×10-5 mol/L时,继续提高表面活性剂的浓度,扩张模量则呈现下降趋势,即溶液的扩张模量在5×10-5 mol/L时达到最大值。当表面活性剂浓度高于1×10-4 mol/L时,界面扩张模量不随表面活性剂浓度发生明显变化。表面活性剂体相浓度的增加通常对界面扩张性质有两方面的影响,一方面是可以提高表面活性剂的界面浓度;另一方面则可以改善由体相向新生界面通过扩散补充表面活性剂分子的能力[37]。表面活性剂界面浓度的提高会增强界面分子间的相互作用,加大界面形变时的界面张力梯度,使界面膜的扩张模量增加;而表面活性剂分子从体相向新生界面扩散补充能力的增强则可有效降低界面张力的梯度,进而降低界面扩张模量。两方面的共同作用是引起溶液界面扩张模量随体相浓度呈现先增后降趋势的关键所在。当表面活性剂浓度较低时,体系中表面活性剂浓度的增加主要体现在界面层分子浓度的显著提高,界面扩张模量明显增大;当表面活性剂浓度达到5×10-5 mol/L时,扩张模量达到最大。继续提高表面活性剂的浓度,表面活性剂分子由体相向新生界面扩散补充的作用占优势,扩张模量降低,界面膜的粘弹性和强度明显减弱[5, 38]。当表面活性剂浓度提高至1×10-4 mol/L时,扩张模量达较低值,此时体相和界面间分子扩散作用为主。
为使研究更具实际应用价值和代表性,在研究传统表面活性剂SDS对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液空气/水界面聚集行为的影响时,选取表面活性剂C12imSP浓度为1×10-4 mol/L,此时,体相和界面间分子扩散起主导作用。
图 3为SDS/C12imSP(1×10-4 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)混合溶液平衡表面张力随体系中传统表面活性剂SDS浓度的变化曲线。由图 3可知,SDS的引入对体系平衡表面张力有明显的影响,随着SDS浓度的提高,混合体系的平衡表面张力先急剧降低,当体系中SDS浓度达到一定值后,混合体系的平衡表面张力又略有增加。这主要是因为体系中C12imSP的浓度较低(C12imSP的CMC约为1.13×10-3 mol/L),界面上C12imSP分子的排布较疏松,当SDS浓度较低时,在体相和表面分子扩散交换的过程中,SDS较强的疏水性及其与C12imSP分子间的相互作用(包括静电相互作用和疏水相互作用)导致其疏水链嵌入到表面上未被C12imSP烷基链占据的空位中形成表面活性剂混合吸附膜,表面上吸附的表面活性剂分子排列更加紧密,从而有效降低表面张力。随着SDS浓度的增加,表面空位几乎完全被表面活性剂SDS分子占据,表面张力达到最低值, 溶液中表面活性剂胶束开始形成。继续提高体系中SDS的浓度,体系的平衡表面张力微增。显然,SDS与C12imSP之间强烈的静电吸引作用和疏水相互作用导致体系中形成较稳定的混合胶束,此时混合胶束中SDS分子数远大于C12imSP分子数。同时,SDS与C12imSP强烈的相互作用促使混合胶束中过量的SDS分子不但对胶束中现存的C12imSP分子有强烈的“挽留”作用,而且对外来的C12imSP分子也有较强的“收纳”作用。一旦界面上的C12imSP分子通过扩散作用被交换至体相,胶束中SDS分子对C12imSP分子的“收纳”作用及进一步的“挽留”作用,加之C12imSP分子本身相对较大的空间位阻效应导致其很难再回复到表面层,表面膜以SDS分子为主。相比之下,带同种电荷的SDS分子亲水头基间静电斥力的存在一定程度上减小了表面分子的排布密度,这可能是导致SDS浓度较高时(5×10-3 mol/L)体系表面张力有所提高的主要原因。
我们对SDS(5×10-3 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)体系的平衡表面张力进行了测量,发现该体系的平衡表面张力和SDS(5×10-3 mol/L)/C12imSP(1×10-4 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)混合体系的平衡表面张力几乎一致,这在一定程度上暗示了混合体系中SDS浓度较高时,表面吸附膜中以SDS分子为主。
我们对SDS对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液表面扩张流变性的影响进行了研究,结果表明,SDS的加入能显著地改变C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液的表面流变性质。图 4给出了添加不同量的SDS时SDS/C12imSP(1×10-4 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)混合体系的表面扩张模量随频率的变化情况。由图 4可知,在实验浓度范围内,体系的扩张模量均随着频率的增大而增大。随着体系中SDS浓度的提高,体系的扩张模量增加,当SDS浓度为5×10-6 mol/L时,扩张模量达到最大值。进一步提高体系中SDS的含量,发现混合体系的扩张模量反而减小。显然,当体系中SDS浓度较低(<5×10-6 mol/L)时,随着SDS浓度的提高,SDS分子的疏水链嵌入到表面上未被C12imSP分子占据的空位中,使表面浓度增大,导致表面分子间相互作用增强且表面形变时产生更高的表面张力梯度,表面膜的扩张模量增大;继续提高SDS浓度(>5×10-6mol/L),无论SDS分子是“填补”界面上的空位还是取代界面上的C12imSP分子,由体相向表面扩散补充表面活性剂分子的作用占优势,表面活性剂分子从体相向界面的扩散补充降低了表面张力的梯度,导致表面扩张模量的降低。同样,对SDS(5×10-3 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)和SDS(5×10-3 mol/L)/C12imSP(1×10-4 mol/L)/NaCl(0.1 mol/L)体系的表面扩张粘弹性进行了比对(如图 4),
发现两溶液的表面扩张模量随频率的变化曲线相差不大,特别是低频范围两曲线几乎重合。这进一步佐证了当体系中SDS浓度较高时(达到5×10-3 mol/L),界面几乎完全被SDS分子占据。
综合上述对实验结果的分析,可以初步推断出SDS的加入对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)体系表面聚集行为的影响。当体系中仅含1×10-4 mol/L C12imSP时,C12imSP分子在表面松散排列。少量传统表面活性剂SDS的加入可以有效填补表面上的空位,表面上形成两种表面活性剂的混合吸附膜。随着SDS的不断引入,嵌入表面的SDS分子逐渐增多,直到表面吸附达到饱和,体相中混合胶束形成。SDS浓度的进一步提高使得其在体相和表面分子扩散交换作用增强,一旦C12imSP分子脱离表面,体相胶束中富集的SDS分子对C12imSP分子的“收纳”作用及进一步的“挽留”作用,加之C12imSP分子本身相对较大的空间位阻效应导致其很难再回复到界面。因此,界面逐渐被SDS分子所占据。图 5给出了SDS的加入对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)体系表面上分子聚集行为影响示意图。
利用界面扩张流变技术研究了两性咪唑类离子液体表面活性剂C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液的界面性质,探讨了传统表面活性剂SDS对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液界面聚集行为的影响机制。结果表明,C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液的界面性质受频率、表面活性剂浓度的影响很大。表面活性剂浓度较低时,界面膜弹性较强,界面性质受频率影响不明显;随着表面活性剂浓度的不断提高,扩张模量随频率单调增加,相角减小。表面活性剂浓度的提高有助于增强界面膜的粘、弹性模量,但粘性部分的贡献增加显著,相应的相角增大;当表面活性剂浓度提高到5×10-5 mol/L时,界面膜的粘、弹性模量达到极大值,扩张粘性对扩张模量贡献起主导作用。继续提高表面活性剂的浓度,表面活性剂分子在体相和界面之间的扩散作用占优势,扩张模量降低,但粘性仍起主导作用。
传统表面活性剂SDS的加入对C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)溶液表面上分子聚集行为有显著的影响。当SDS浓度较低时,SDS较强的表面活性及其与C12imSP分子间的相互作用(包括静电相互作用和疏水相互作用)导致其疏水链嵌入到界面上未被C12imSP烷基链占据的空位中,界面上形成表面活性剂混合吸附膜,界面张力显著降低。提高体系中SDS的浓度,其分子从体相向界面层的扩散交换占优势,界面吸附达到饱和,体相中富含SDS的胶束形成。一旦界面上的C12imSP分子通过扩散作用被交换至体相,胶束中富集的SDS分子对C12imSP分子的“收纳”作用及进一步的“挽留”作用,加之C12imSP分子本身相对较大的空间位阻效应导致其很难再回复到界面,即界面膜以SDS分子为主。可见,通过调节体系中SDS的含量,可以实现对混合体系SDS/C12imSP/NaCl(0.1 mol/L)界面膜性质的调控。这些研究可为更全面地了解表面活性剂及其混合体系分子的界面行为提供重要信息。