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分子有序组合体是有待深入研究和探索的重要领域。它可以是各式各样的缔合胶体和界面层。如胶团、囊泡、脂质体、单层及多层分子膜等。由于它具有特殊的结构和优异的性能,且尺寸在纳米范畴,表现出既不同于分子特性,又不同于体相特性的介观物质特性。因而与生命、材料、能源和环境等科学密切相关,倍受人们关注,显示出诱人的发展前景。
本课题研究是以环境治理为背景,系河南省自然科学基金资助项目;采用物理化学原理和方法,结合现代波谱等手段;将宏观性质与微观结构信息的研究相结合,针对添加剂的反离子效应和疏水相互作用两个重要因素,较系统地研究了十六烷基三甲基溴化铵(CetyltrimethylammoniumBromide,CTAB)分子有序组合体的热力学性质、传输性质和分子间的相互作用;探讨了疏水相互作用、静电作用以及温度等因素对CTAB分子有序组合体的聚集形态和增溶作用的影响,希望通过对该多元系的物理化学性质和微观结构的研究,综合探讨表面活性剂缔合体系的相互作用机理,以期揭示表面活性剂分子有序组合体的微观结构与宏观性质之间的内在联系,希望对环境、资源及生物技术的开发和应用具有一定的指导意义。本文主要研究内容和结果如下:
1.用滴体积法研究了298.15K添加剂对CTAB缔合体系的表面活性及胶束化的影响。实验结果表明:无机盐对亲水基电荷的屏蔽作用可使临界胶束浓度(cmc)和最低表面张力降低到相当低的值;辛胺由于有较长的疏水链,极易在气液界面吸附层形成共吸附并参与混合胶团的形成,其疏水链可以伸入到形成胶束的表面活性剂疏水链之间,使胶团表面电荷密度降低,易于反离子的解离,引起胶束解离度的增加,使体系的表面张力降低,cmc也相应降低,增加了表面活性剂的表面活性。因而辛胺具有助剂的性质。
2.利用72型恒温分光光度计研究了298.15K正辛胺(n-OA)时在0.0500mol·kg-1CTAB水体系中的最大加溶量以及电解质(NaCl/KCl)的加入对辛胺在缔合体系中最大加溶量的影响,发现静电相互作用对体系中的正辛胺在表面活性剂的最大增溶量有明显的影响,它降低了表面活性剂胶束的表面电荷密度,使胶束具有更为紧密的堆集,胶束疏水链之间的栅栏层体积减小,导致辛胺的疏水链难于伸入胶束的栅栏层。从更深层次分析了电解质的加入导致n-OA最大加溶量变小的主要原因,认为电解质的加入影响了胶束的构型,导致缔合体系聚集体的形态发生了明显的变化,使得增溶量有明显的降低。
3.利用AntonParrDMA60/602数字式振动管密度计首次精确测定了298.15KCTAB+n-OA+水、CTAB+n-OA+NaCl+水、CTAB+n-OA+KCl+水体系的密度,并据此计算了辛胺有这些体系中的标准偏摩尔体积。实验结果表明:辛胺参与了混合胶束的形成并对胶束相转变有促进作用,而且可以做为一个很好的热力学探针来研究CTAB缔合体系的相转变。研究同离子效应(K+和Na+)对缔合体系相转变的影响发现,同离子作用的强弱与离子水化半径有密切关系,水化半径越大则作用较强,其强弱顺序为:K+>Na+。
4.根据实验所测定体系粘度的变化分析了体系内分子间相互作用随温度、电解质的类型(KCl,NaCl,NaBr,NaNO3,Na2SO4等)及各组分的性质等因素的变化规律,研究了不同构型的缔合体系中疏水相互作用与微观结构的联系,探讨了体系内的相互作用机理。基于表面活性剂缔合体系中电解质的浓度与粘度的实验数据,得到如下结论:反离子对胶束的相转变作用比同离子的影响要显著得多,电解质离子的电荷数对胶束构型的转变作用并不是主要因素,而与其离子半径有密切关系,其顺序为:NO3->Br->SO42->Cl-。正辛胺对体系的相转变也有促进作用,但与无机盐共存时,有很强的协同作用发生。
5.最后,以芘为荧光探针,二苯酮为猝灭剂利用荧光光谱法,研究了n-OA、芘(Pyrene)进入CTAB胶束的疏水相互作用,讨论了胶束内微环境极性和胶束聚集数与添加剂的关系。结果表明:随着NaCl/KCl和n-OA的加入,芘增溶位的微环境极性逐渐变小。随着电解质的浓度和辛胺浓度的增加,胶束聚集数逐渐变大。据此分析了缔合体系胶束内的疏水相互作用和添加剂对表面活性剂缔合体系分子间相互作用的影响,对表面张力、最大增溶量、体积、粘度等实验结果作出了微观解释。从而为表面活性剂分子有序组合体在实际应用中的设计和优化提供了重要的信息。