《应用胶体与界面化学》06 膜的化学

1、第六章 膜的化学生物膜反渗透膜 超滤膜血液透析膜无机薄膜有机薄膜内容复习第五章第五章 乳状液及微乳状液乳状液及微乳状液基本概念:乳化作用乳化作用乳状液乳状液乳状液的不稳定性乳状液的不稳定性分层聚结絮凝 聚沉破乳变型 影响变型的因素有：改变乳化剂，变更两相的体积比，改变温度以及外加电解质等 乳状液的稳定乳状液的稳定乳化剂选择的一般原则乳化剂选择的一般原则乳化剂选择方法乳化剂选择方法HLBPIT浊点法临界堆积参数1. 表面活性剂或两亲分子形成具有一定厚度的界面膜2. 聚合物的空间稳定作用3. 固体粉末的稳定作用(2) 在分散相周围形成保护膜，使界面膜具有较高的黏度和力学性能(1) 降低界面张力，并

2、能在界面上吸附(3) 根据用途和欲得的乳状液类型选择(4) 要能用最小的浓度和最低的成本达到乳化效果；乳化工艺简单内容复习第五章第五章 乳状液及微乳状液乳状液及微乳状液多重乳状液多重乳状液多重乳状液的液膜多重乳状液的液膜多重乳状液的制备多重乳状液的制备微乳状液微乳状液表活剂和助表活剂存在下水与非极性有机物可自发形成的透明的溶液，既具有烃的性质，也有水的性质，是热力学稳定体系。内容复习第五章第五章 乳状液及微乳状液乳状液及微乳状液助表面活性剂的作用助表面活性剂的作用乳状液、微乳液及胶束的差别微乳液的特性分散相液滴大小、外观的浑浊度及是否自发形成，是否为热力学稳定体系。1. 有高度分散的小液滴2.

3、 有大的界面面积和特殊的微环境3. 低的界面张力和对水和油的大的增溶能力1. 降低表面张力，使表面张力降至最低，可能为负值2. 增加界面膜的流动性和柔性，减少微乳形成时所需的弯曲能3. 微调表活剂的HLB值，使之更合适加点油加点油Pliny和Plutarch指出在波涛汹涌的海上，油有平浪的作用。?第一节 膜的定义两相间的不连续区域吸附膜或界面膜Film: 二维伸展的分子结构体,有一定宏观厚度和强度的薄膜Membrane： 在相界面上以不同方法形成的具有一定特别功能和厚度为不大于几个分子层的两亲分子有序结构膜的作用膜的作用物质分离， 如超滤膜、半透膜、离子交换膜透过功能， 如生物膜、半透膜能量转

4、化，如用于太阳能电池的有机薄膜，用做电子器件的LB膜生物功能，如生物膜第二节 不溶物单分子层膜有机两亲物质随着疏水基的增大，其在水中的溶解度降低，而表面活性增强。即其在溶液表面和内部的分布更偏向于在表面上。当两亲分子的疏水基达到一定程度，在水中的浓度便小的可以忽略。此时两亲分子的表面定向层可以通过在水面上铺展的方法形成表面膜，称之为铺展膜，也称为不溶膜或不溶物单分子层膜。将不溶于水的有机两亲物质溶于适宜的有机溶剂，将此溶液滴加到水和空气的界面上，溶剂挥发后就可形成两亲物单层膜。水面由于有两亲物单层膜存在，表面张力会发生变化，铺膜前后表面张力的变化即为表面压。第二节 不溶物单分子层膜1. 1.

5、表面压及其测量表面压及其测量两亲分子在气液界面上的定向排列两亲分子在气液界面上的定向排列羧基向水，羧基向水，碳氢链向空碳氢链向空气。气。表面压表面压浮片A的右边是干净的水,表面张力为0。浮片浮片A的左边是含有不溶性两亲分子的水的左边是含有不溶性两亲分子的水,其表面张力为其表面张力为， 0 浮片被推向纯水一边。浮片被推向纯水一边。 浮片受到不平衡力的作用，因此产生表面压力。表面压是两浮片受到不平衡力的作用，因此产生表面压力。表面压是两维空间运动质点即表面分子对浮片碰撞结果。维空间运动质点即表面分子对浮片碰撞结果。表面压的定义：表面压是表面膜对单位长度的浮片所施加的力。表面压的定义：表面压是表面膜

6、对单位长度的浮片所施加的力。单位单位mN/ m。Definition 0ABWM 测量表面压的装置测量表面压的装置： 1. Langmuir 膜天平 直接测量对浮片所施加的力 一般，= 3050 mN/m 若膜厚约为2.5 nm, = 1.5107 kPa 150 atm2. 吊片法 测量铺膜前后的表面张力二.单层膜的状态和结构在恒定温度条件下，测出的不溶物单层膜的表面压与成膜分子占据面积A的关系曲线称为-A等温线。典型的二维单层膜的-A图（1）气态膜(G): 每个分子平均占有面积很大(100 nm2), 表面压很低(0.5mNm-1), 膜具有良好的压缩性。A0：成膜分子的独立面积若分子间作

7、用可忽略：AkT（k：Boltzman常数）实际上： (A-A0)kT应用：应用： 估算大分子的摩尔质量，例估算大分子的摩尔质量，例1（2）气液平衡膜（L1-G）: 气态膜向液态膜的转变过程V: 相当于在三维状态时成膜物的饱和蒸气压（三）液态扩张膜（L1）膜本质是液态的，但其压缩性比三度空间的液体大得多。液体密度比固体小不了多少，可l1面积是固态膜2-3倍。开始时膜的压缩率变小，随面积减小，膜压显著上升。指示成膜分子已相当靠近。有明显的侧向相互作用。（四）转变膜（I）是液态扩张膜与液态凝聚膜间的过渡区域，转变膜具有不均匀性及显著高于液态扩张膜可压缩性。（五）液态凝聚膜（L2）膜压缩系数比L1、

8、I小得多，但比固态膜大得多；分子平均面积比固态膜大20，Adams、Langmuir 认为这种膜是在极性基之间多少带着一些水的半固态膜。=baA 分子的碳氢基排列与油中相似（六）固态膜（S）密度较大，压缩率非常低。分子的疏水基团排列紧密，类似于晶体。=cqA若将S膜的曲线延长至a轴，就可得到分子的截面积。对于直链同系物，无论尾巴长短，极限面积一样。7. 单层膜的崩溃：对固态膜继续压缩最终导致膜破裂。此时可观察到压缩膜面积，膜压不变以至降低的现象。此恒定或最大值叫做膜的破裂压。若条件控制好，可有较好的重现性。破裂压高低反映膜的强度。注意：1.液态凝聚膜的-A曲线外延求出的分子面积大于固态膜曲线外

9、延求出的数值；2. 同系列两亲长链有机物形成固态膜外推分子面积接近，与碳氢链长短关系不大；3. 利用固态膜外推求出的分子面积未考虑成膜分子侧向间的作用及外力挤压作用；4. 膜的压缩系数三三. 单层膜的其它研究方法单层膜的其它研究方法1. 表面电势：有膜和无膜条件下两相间电势差的差值VVm-V=4 n cos测定方法：离子化电极法和振动电极法2. 表面粘度：由于膜的存在而引起的表面层粘度的变化。包括表面膨胀粘度和切变粘度，前者在许多实际问题中有重要应用，但研究较少。表面膨胀粘度：表面扩大或压缩时表面张力变化对膜形变的影响切变黏度： 膜发生形变时受到的阻力大小的衡量3. 光学方法： 荧光显微法四四

10、. 单层膜的应用单层膜的应用1. 抑制底液的蒸发底液的蒸发：底液分子从底液中逃离至蒸汽相的过程。铺膜后底液蒸发受到的阻力： 液相分子间的阻滞力 气相分子的碰撞阻滞力 单层膜的阻滞力Rf（蒸发比阻）底液的蒸发速率：dQ/dt=Ac/RfRf的影响因素抑制底液蒸发对单层膜的要求表面压要高扩张性通透性无毒无害价格合适2. 单层膜中的化学反应四四. 单层膜的应用单层膜的应用准二维微环境，且有助于模拟和研究许多在膜中进行的生物过程1）长链脂水解反应3. 界面反应的共性1）反应物浓度的影响：恒定时速率常数与反应物浓度成正比2）界面压的影响: 反应速率常数随增大而增大3）界面电势的影响4）界面反应的活化能4

11、. 复杂分子结构的推测: 例如胆固醇分子式的推测2）界面聚合反应第三节 LB技术和LB膜 1935年，I. Langmuir的学生和助手K.Blodgett将langmuir膜转移到固体衬底上，成功地制备出第一个单分子层积累的多层膜，这就是我们所称呼的Langmuir-Blodgett 膜-LB膜。 而这种将气液界面上的单分子层转移到固体基片上的技术就被命名为-LB技术。一一 LBLB膜的制备膜的制备物料要求：物料要求：成膜物：两亲分子要有足够长的碳链成膜物：两亲分子要有足够长的碳链铺展剂：成膜物分子的良溶剂，与底铺展剂：成膜物分子的良溶剂，与底物不相混溶，且密度小，易挥发，速物不相混溶，且密

12、度小，易挥发，速度适中；度适中；固体基片：要经过严格的处理固体基片：要经过严格的处理L-B 膜的形成与类型X累积Y累积Z累积y型沉积型沉积 (基片基片尾尾头头头头尾尾 ) 基片在上升和下降时均可挂膜基片在上升和下降时均可挂膜 .所得所得 LB膜的层与层之间是亲水面与亲水面膜的层与层之间是亲水面与亲水面 ,疏水面与疏水面相接触疏水面与疏水面相接触 .这种形式最为这种形式最为常见常见 .z型沉积型沉积 (基片基片头头尾尾头头尾尾 ) 与与 x型膜相反型膜相反 ,基片上升时挂膜基片上升时挂膜 ,下下降时不挂降时不挂 .要求基片表面为亲水性的要求基片表面为亲水性的LB膜的类型x型沉积型沉积 (基片基片

13、尾尾头头尾尾头头 ) 基片只在下降时挂上单分子膜基片只在下降时挂上单分子膜 ,而在而在上升时不挂膜上升时不挂膜 .所得膜特点是每层膜的所得膜特点是每层膜的疏水面与相邻的亲水面接触疏水面与相邻的亲水面接触 .所用基片所用基片表面应是疏水性的表面应是疏水性的 . LB膜的应用前景光电化学研究非线性光学材料特殊功能性应用 气敏传感膜 离子传感器 LB膜的有源器件应用：a.光电转换膜（分子电池和分子开关）b.电光转换膜（电致发光平板彩色显示器）c.光致变色膜（高密度并行多信号记录材料）d.非线性光学膜（各种非线性器件）e.各类传感器（红外，气敏等）f.仿生膜（嗅觉、视觉等人工器件）等等。这些令人兴奋的

14、应用前景，吸引了大批学者投身其研究，使得LB膜成为化学、物理、生物、医学、电子学、光学、材料学等于一体的边缘科学，成为当前研究的热点。LB膜的缺陷： 热稳定性差； 机械强度较低，为分子间力； 寿命较短，膜结构易随时间变化； 等问题使得LB膜器件的商业化有一定难度，但随着人类对其研究的进展，这仅仅是一个时间问题。 LB膜的优良性能必将为人类造福！膜的优良性能必将为人类造福！第四节 BLM（双层脂质膜）、脂质体与囊泡一. 人工双层脂质膜制备：成膜物：合成及天然类脂、表面活性剂、类胡萝卜素、染料以及多种生物抽提物第四节 BLM（双层脂质膜）、脂质体与囊泡一. 人工双层脂质膜性质：BLM的厚度BLM的

15、界面张力BLM的电性质BLM的通透性第四节 BLM（双层脂质膜）、脂质体与囊泡二. 脂质体和囊泡脂质体： 由天然或人工合成的磷脂所形成的球形或椭球形、单室或多室的封闭双层结构称为脂质体囊泡： 由人工合成的表面活性剂的类似结构称为囊泡脂质体的制备脂质体的制备类脂膜或亲液泡沫扰动法、过滤挤压大小分级法、反相蒸发法、超声法及注射法等带有两个碳氢链的磷脂酰胆碱是制备脂质体的最好材料，但不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸也可以制备囊泡。第四节 BLM（双层脂质膜）、脂质体与囊泡脂质体的性质脂质体的性质1. 稳定性 分散相尺寸介于胶体范围具有一定的稳定性，可用于药物包封；2. 相变性质脂质体、囊泡的应用脂质体、囊泡的应用药物载体化学反应的微反应器包封率：包入脂质体的药物量占总投入药量的百分数三三. 双层脂质膜和生物膜模拟双层脂质膜和生物膜模拟植物和动物的细胞膜由脂质（25%-75%）蛋白质（25%-75%）和少量碳氢化合物构成。脂类： 磷脂、糖脂和胆固醇脂类与蛋白质在细胞膜中的排列分布模型是液态镶嵌模型，即脂类构成双分子层，为细胞膜的基质，在膜中脂质分子可以横向自由运动，也可转动和链接