吸附的表面活性剂薄膜的表面剪切粘度和相关性质

1、吸附的表面活性剂薄膜的表面剪切粘度和相关性质摘要：在液-液界面的表面活性剂的吸附和积累导致对流体额外的、内在的、流动力学的阻 力是一种表面剪切粘度的测量方法。研究出了一些可溶性表面活性剂的表面剪切粘度。已 研究的非生物降解的、单组份水溶性表面活性剂没有得到显著的表面剪切粘度。然而，月 桂酸、月桂醇本身不溶于水，但是月桂基硫酸钠溶于水，在一定浓度和比例下有显著的表 面剪切粘度。相对不溶性物质或者溶于其他物质的物质，通常会导致在液气接口产生显著 的表面剪切粘度。Introduction：对很多工程的操作的理解，例如蒸发、气体吸收和解吸、液-液萃取等，对于在 运输的过程中界面处的作用有一个深入的理解

2、是可能的。在这方面，在上面的 表面活性剂的界面性质和动态效应很重要。在一些实例如泡沫的分离、形成和 稳定、乳化液的稳定性、悬浮聚合、膜的渗透性、鞣革、马兰戈尼不稳定、肺 表面活性剂体系、沿固体壁向下流动的膜、气泡和释放行为和传质操作中，界 面剪切粘度都被认为有很重要的意义。表面活性剂倾向于在其溶液和相邻固态、液态或气态相的界面之间积累并 吸附。这种在流体-流体界面上的积累导致额外的、内在的、流动的流体力学阻 力。界面剪切粘度是一种衡量这种阻力的参数。它被定义为界面的剪切应力与 界面剪切速率的比例在水溶性表面活性剂的气液界面膜的界面剪切粘度的有关报道只有只言片 语。通常情况下，报道的值接近测量技

3、术的灵敏度的。在某些情况下，所使用 的表面活性剂不是百分之百有活性或者完全降解的。此外，大多数情况下，由 于可以证明表面粘度和实验测量变量之间关系的确切数学分析的缺乏，不能对 报道的表面粘度值充满信心。因此，实施一个实验方案，以对某一种表面活性 剂进行研究，获得表面粘度。在确定的这样的系统中，通过其他的属性如表面 张力、表面电位和光散射来测量，以此来揭示界面膜的特性。理论上的考虑(theoretical considerations)表面剪切粘度：表面剪切粘度有所谓的深通道粘性牵引界面粘度技术决定。基 本上，它由两个同心的、固定垂直缸和一个装有液体的旋转平底培养皿组成 (见图1)。STATIO

4、NARY parallel CHANNEL WALLS垂直筒被放置在几乎触及到培养皿底部的位置。培养皿转动，导致在垂直缸之 间的通道中的液体旋转。固定通道壁倾向于剪切流体，从而提高了界面的作 用。对于在通道中的层流、牛顿流体和与时间无关的流体，在通道中的速度可 以很容易的由下式计算出来：V 4 芝 A cosh nn（D - X）+ nnEsinh nn（D - X）乂 .兀&）cosh nnD + nnE sinh nnD兀 1 n1 （n odd）其中 An=-1/（2R +1） （n even）i这里，X=无量纲x的坐fe=x/y0,Y=无量纲y的坐标=y/y0，v =无量纲速度=o/气

5、, 气=底部中心线速度=G. + */2如，=角速度D =无量纲深度=x / y0e =无量纲表面粘度=s/ny0，门=体积粘度， =表面粘度R =内通道的无量纲半径=r 3。对于深通道(D2/n )，sinhn兀D = coshn冗D = em /2，此外在界面中心 线，X=D，Y=0.5，描述速度的无穷级数，只有第一项是显著地，因此，界面中 心线速度可以写为：V = 户G +兀E) (2)c兀灯+兀E )对于一个给定的牛顿流体表面粘度（E）和一个给定的无量纲深度（D）, 速度vc是一定的。在尺寸方面这意味着七 R是一定的，也就是说 t ；t = cons tan t（3）这里t。和t分别是

6、培养皿和界面中心线上一个粒子每旋转一圈的时间。对于纯净 的界面，E=0。用星号代表这种界面，我们可以从公式（2）得到：（4 ）由公式（3）和（4）可以得到：兀E = V * V -1（5）c c方程（5）把表面剪切粘度和纯净与不纯净界面的实验量纲速度V *和V联系起 cc 来。在粒子革命时代，表面剪切粘度由下式表示：兀 E = t.t*1（6）实验技术 Experimental Techniques表面剪切粘度的测定：研究表明，孔道中的弯曲接口导致在界面的流速和剪切 粘度的计算值的误差小于10%。目前的工作中，我们可以看到，对于具有较高 的表面剪切粘度的处理系统来说，这些误差是微不足道。此外，

7、平整的界面的 维护需要通道壁的台阶或凸起的结构。这样的凸缘是机械加工到我们实验室的 界面粘度及的通道壁上的，它使实验更加困难。液体不得不缓慢的引入，因此 在低表面年龄时，没有随时间变化的数据。同时，液体的蒸发会导致液位降至 低于凸缘和弯曲界面处。因此决定忽略曲率效应。图2显示了粘性牵引力界面粘度计的截面图。动力由一个1/4-hp Servo-Tek “100系洌的精密可无线从0调到90转的可调速驱动系统提供。额定转速可 低至18rpm的一个5:1的波士顿涡轮允许提高较低速度的操作。一个1英尺直 径的钢轴将齿轮和转盘连接起来。当从底部传出的针穿入在轴中提供的容器中 时，不锈钢盘自动到中间。不锈钢

8、盘由四个螺栓固定在转台上。设有固定缸的 管道组件依赖于连接到工作平台支撑住周围的四个套管。套管的高度和通道壁 和底部的盘子的底部的间隙一样高，为1/64英寸。这样一个小的间隙，然而对 数据的解释没有影响。当销从组件的顶板插入固定在盘子底部的容器时，管道 组件会集中。管道组件通过拧紧四个在支持柱上的螺母固定在某个位置上。TURFtT4BLFigure 2. Cross section of the viscous traction interfacial viscometerTHRUSTCOUuAft量程为3英寸、精确度为0.001的Starrett深度千分尺被附加到管道组件的顶 板上。它可以测

9、量管道内液体的深度。为了进行解决方案，千分尺被连接一个 微安计和串联电池使用。为了进行速度测量，使用一个埃德蒙直立图像、直接测量显微镜第70266 号。它有一个3/4英寸的视图、可以再4又7/8英寸的工作距离有6倍的放大倍 率。通常用来观察界面处引入的聚四氟乙烯颗粒。显微镜在工作平台上。使用 一种灯照亮显微镜下观察的界面区域。一个典型的实验操作从彻底清洗干净的dish和装有热铭酸/蒸馏水和丙酮的 管道组件开始。盘子被放置在转盘的位置上，并通过为此而设的四个螺栓固 定。然后在pin的帮助下，管道组件放置在套管中心，并拧紧四个螺母到支柱 上锁定到位。一定量的液体被引入到盘子里，在通道中获得所需要的

10、深度。电 机开启，把它的速度增加到所需要的值。随后的一个操作来确定界面中心线速度。相对大的速度，一个单一的聚四 氟乙烯颗粒（直径=0.01厘米）沉积在界面中心线，同时完成一个旋转的时间用 秒表测量。相对较低的速度是由跟踪一个在显微镜视场下的聚四氟乙烯颗粒得 到，同时，记录通过一个在显微镜刻度上预定的距离所需的时间。通常几个粒 子沉积在界面的不同地方，从他们进入显微镜视野开始计时。在一些实例中，不只是超过一个粒子被引入，在显微镜的视野中跟踪，并且，显微镜也向下游 移动使一个粒子在它消失之后回到视野中。盘子完成一次旋转所需的时间也被记录下来。在管道中液体的深度决定于 探针的不同位置，千分尺的读数不

11、同。一个当探针的尖端刚好穿透表面；一个 当它接触盘子的底时。The procedure outlined above required a slight modification for insoluble films. After fastening the dish in position, the substrate was introduced. Next, a calculated amount of the insoluble substance dissolved in a 1:1:3 mixture of chloroform, methanol, and hexane was

12、 introduced via a Hamilton CR700 syringe having a range of 0.20p and graduated in 0.1 p l. The canal assembly was then placed in position.对于不溶性薄膜，上面的操作过程需要稍微修改。在把盘子固定到位后， 物质被引入。接下来，一定量的溶解在氯仿、甲醇、和正己烷以1:1:3比例混合 溶液中的不溶物质通过一个量程为0.2p到0.1p l的汉密尔顿CR700注射器引 入。管道组件之后被固定到位。Measurement of Other Properties.其他性质

13、的测量Surface tension was determined by the well-known Wilhelmy plate method (Davies and Rideal, 1963), using a Cahn electrobalance in conjunction with a recorder. The commonly used ionizing electrode method, aided by a Keithley electrometer and a recorder, was employed to measure surface potential. Th

14、e ratio of light scattered by a solution at right angles to a monochromatic incident beam to the light transmitted unscattered was determined with the aid of a Brice- Phoenix Universal 2000 series light-scattering photometer.表面张力是用著名的Wilhelmy板法测量的，即用一个连有记录仪的Cahn电 平衡装置测量。通常用电离电极的方法，借助一个Keithley静电计和记录

15、仪来 测量表面电位。被溶液散射成直角成为单色入射光束占传播中没有散射的光的 比例用Brice-Phoenix Universal 2000系列光散射光度计测量。Experimental Results and Discussion 实验结果与讨论Criteria for Selection of Surfactants 表面活性剂的选择标准The surfactants chosen for study were all pure or active with definite known compositions, as far as possible. Secondly, they wer

16、e all nonbiodegradable so that their characteristics would remain unchanged over a period of time. Thirdly, they were in such a physical state (powder or liquid) that a desired weight or volume of the surfactant could be easi- ly measured. Anionic, cationic, and nonionic surfactants of various types

17、 were studied. McCutcheons book (1971) proved extremely useful in the screening of surfactants.选择用于研究的表面活性剂尽量完全是纯的、有活性的明确知道成分的。 其次，都是不可生物降解的，以保证他们的特性在一段时间保持不变。第三， 他们所在的物理状态(粉末或液体)能保证所需的表面活性剂的重量或体积可以容易的测量。对阴离子、阳离子、非离子不同类型的表面活性剂进行了研 究。McCutcheons book对于表面活性剂的筛选是非常有用的。Systems Exhibiting Low Surface She

18、ar Viscosity.系统具有低表面剪切粘度It is well known (Mukerjee and Mysels, 1971) that the activity of a surfactant rises very slowly, if at all, above the critical micelle concentration. Furthermore, the critical micelle concentration of ionic surfactants is of the order of 0.1%; that of nonionic surfactants is

19、 0.001% (Mukerjee and Mysels, 1971; Schick, 1967). The activity of surfactants is, therefore, close to maximum at a concentration of 0.1%. Consequently, it was decided to determine the surface shear viscosity of surfactant solutions at a concentration of 0.1% (by weight for solids and by volume for

20、liquids).众所周知，表面活性剂的活性上升非常缓慢，在临界胶束浓度以上基本不 上升。此外，离子型表面活性剂的临界胶束浓度约为0.1%，非离子表面活性剂 的CMC是0.001%。因此，表面活性剂的活性在浓度为0.1%时接近最大值。因 此，表面活性剂的表面剪切粘度在浓度为0.1%时测量(按固体的重量，液体的 体积)。Surface viscometric measurements were made with the deep-channel viscous traction viscometer according to the procedure outlined earlier. Th

21、e surfactants investigated are listed in Table I. Interfacial velocities for all the surfactant solutions studied were found to be within ten percent of the velocity for distilled water under comparable conditions of liquid depth and dish speed. In accordance with eq 6, it was, therefore, concluded

22、that the surface shear viscosity of these solutions was exceedingly small (10- 4 s.p.)。表面粘度是根据前面所述的程序，用深通道粘性牵引粘度计测量。研究的 表面活性剂列于表【。研究的所有表面活性剂溶液的界面速度在可比较的液体深 度和转盘速度下蒸馏水的速度的10%以内。因此，根据式(6)，这些溶液的表 面剪切粘度非常小(10- 4 s.p.)。Motivation for Mixed Surfactant Systems.Surface shear viscosities of the order of 10-3

23、 and higher are commonly found for insoluble monolayers on aqueous substrates (Joly, 1956, 1964, 1972b). Recently, in a study of surface tension and electric potential at the surface of aqueous solutions of 0-, m-, and p-cyanophenols, Siwek (1971) found the influence of the meta isomer to be the str

24、ongest and its solubility to be the lowest.According to Stevens (1969), “efficient” surfactants are those that are usually relatively insoluble as individual ions or molecules in the bulk of a solution. Consequently, it was felt that films of relatively insoluble surfactants adsorbed at ayueous interfaces would tend to exhibit significant surface shear viscosities. Lauric acid and lauryl alcohol were chosen to test this hypothesis. Both are insoluble in water (Perry, 1963) and have simple molecular structures.通常，表面剪切粘度大约为10-3或者更高的在急性基质的不溶性表面单分 子膜上。最近，一项对苯的邻、间、对位水溶液的表面的表面张力和电位的研 究表明