聚合物与阴离子表面活性剂复合作用的比较研究

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聚合物-表面活性剂复合体系与单一表面活性剂相比具有不同的自组装结构,在增溶、起泡和界面吸附等方面表现出更加优良的性能,被广泛应用在个人护理、涂料、三次采油、蛋白质纯化和模拟生物过程等方面。众多研究者集中探讨了中性聚合物-阴离子表面活性剂体系的弱相互作用和聚阳离子-阴离子表面活性剂体系的强静电作用,并揭示了两类复合体系的双临界浓度现象(c1和c2)、聚电解质性质、作用方式及结构模型和溶液性能等。然而,针对这两类代表性的复合体系,目前仍有部分问题没有解决。首先在中性聚合物-阴离子表面活性剂体系中,关于阴离子表面活性剂头基类型对复合作用的比较研究鲜有涉及,受限于实验条件或研究侧重点不同,众多研究者未能归纳出表征复合作用的关键参数,因而系统性的比较研究无法顺利开展。其次,在中性聚合物-阴离子表面活性剂复合体系的研究中,虽然发现随着反离子水化半径减小,复合作用边界前置且复合作用强度逐渐减弱,但仍不清楚反离子水化半径变化是否会导致拟聚电解质类型发生改变。此外,针对聚阳离子-阴离子表面活性剂体系的大量研究表明,两者间的强静电作用导致体系内存在较大的沉淀区,一般认为,随着表面活性剂浓度增大该体系中形成“串珠结构”后,沉淀复溶。然而,目前对沉淀区后形成的缔合物结构及其荷电特性的研究方法有限,且还未能深入探索聚阳离子分子量和电荷密度对沉淀区后形成缔合物的荷电特性以及对复合作用的影响。基于以上问题,本论文的主要研究内容及主要结果和结论如下:1.聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与阴离子表面活性剂复合作用的比较研究利用表面张力法、电导率法、毛细管电泳法(CE)和等温滴定微量热法(ITC)比较研究了中性聚合物PVP与四类常见的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),十二烷基苯磺酸钠(SDBS),十二酸钠(SD)和单十二烷基磷酸钾(MLP)间的复合作用。提出缔合效能(ΔC)、缔合效率([Г]),缔合物架桥位点度(f)、拟聚阴离子表面电荷密度((μemax)四个新参数,并结合ITC得到的结合常数(KD),全面评价和比较了不同复合体系的复合作用。实验结果表明:(1)PVP-SDS和PVP-SDBS体系的缔合效能和缔合效率较大,说明在PVP链上结合的表面活性剂分子较多且降低cmc的能力较强;(2)由于强解离型表面活性剂SDS、SDBS具有较低的cmc,且与PVP结合时c1较低,因而在其低浓度时便可与PVP分子链链相结合从而形成拟聚阴离子结构,缔合平衡时相应拟聚阴离子的表面电荷密度较高;(3)由结合常数和缔合物架桥位点度(f)对应的实验结果可知,上述复合体系的内部缔合稳定性在碱性条件下受表面活性剂头基影响较大,而在近中性条件下头基影响较小,屏障效应可以忽视。因此本文提出的四个参数和结合常数相结合,可为中性聚合物-阴离子表面活性复合体系的复合作用提供了新的更直接的比较方法,并为研究者选择试验体系提供指导方向。2.碱金属离子对复合体系的影响无表面活性剂时,中性聚合物与碱金属离子通过离子-偶极作用相结合,CE证明该缔合物具有微弱的聚阳离子性质;有表面活性剂时,中性聚合物借助碱金属离子架桥与表面活性剂类胶束缔合,CE证明该缔合物具有强聚阴离子性质,且无论水化半径大小均形成拟聚阴离子,因此两者间具有本质区别。进一步借用缔合效能、缔合效率、缔合物架桥位点度、拟聚阴离子表面电荷密度和结合常数五个参数比较研究碱金属离子水化半径对PVP-十二烷基硫酸盐体系的影响。当碱金属离子水化半径减小时(Li+>Na+>K+),复合体系间缔合效能和缔合效率随之增大,降低cmc能力增强,缔合物架桥位点度增加,其拟聚阴离子表面电荷密度增大,但拟聚阴离子内部稳定性却降低。由此证实了通过五个参数对类似体系进行比较研究的可行性。3.阳离子纤维素与阴离子表面活性剂复合作用的研究以聚阳离子的代表阳离子纤维素与阴离子表面活性剂SDBS复合体系作为模型体系,发现由于强静电吸引作用形成的沉淀区随阳离子纤维素浓度减小而变窄,随cSDBS过量沉淀消失,并确认沉淀区后形成的缔合物为拟聚阴离子,且该缔合物的聚电解质强度受阳离子纤维素同系物的分子量和取代度影响较小。在无紫外吸收信号的阳离子纤维素-SDS体系中,利用二苯甲酮探针的方法,也得到了同样的结论,进一步说明该结果具有普适性。
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