表面活性剂溶液系统浸润性质研究

论文摘要

表面活性剂系统是软凝聚态物理研究的的重要对象之一。以表面活性剂为代表的双件分子，大量的存在于化学利乍物体系中。这类分子一端亲水一端亲油的特性使其能够在液体系统中引起的各种丰富多彩的界面现象，对各种复杂流体的物理特性的形成，有着极重要的作用。然而，与双性分子系统界面相关的问题中的相当一部分直到目前为止都没有系统的研究和解释。本文着眼于从物理学的角度考虑此类问题，全匠系统的研究表面活性剂溶液／甲基硅油（PDMS）两相系统中的表面／界面上与浸润，扩展有关的物理性质。第一章和第二章详细介绍了该课题的研究背景和相关研究进展，包括理论和实验。从文章的第三章开始介绍了实验系统，现象，数据统计，以及相关结果讨论。PDMS（甲基硅油）油滴一旦接触到SDS（十二烷基硫酸钠）溶液表面，将会立即铺展扩散成为一层油膜覆盖溶液表面，与硅油在纯水表面扩散类似。但是由于农面活性剂的因素，在一个特定的SDS浓度范围内，经过一定的时间，这层油膜会再次回聚形成一个漂浮在溶液表面的宏观透镜状油滴（oil lens），油滴以外的溶液表面部分被一层极薄的油层所覆盖。由于这样的浸润现象介于通常的完全浸润（complete wetting）与不完全浸润（partial wetting）之间，该状态在文献中被称为赝不完全浸润（pseudopartial wetting）。对于SDS溶液来说，此现象仪发生在浓度为cmc（临界胶束浓度）值附近的一个范围内。低于或者高于这个浓度范围时，扩展出去的油膜相当稳定，均不会再次回聚。我们在该系统下进行了一系列的实验，包括：1)利用椭圆偏振仪测量各种状态下溶液覆盖的PDMS膜层厚度，包括纯水表面，油滴回聚之后的溶液表面，以及油滴完全铺展不回聚的溶液表面等等。本文分析了各种状态下油膜的厚度与农面能量状态的关系，并由实验数据计算了溶液浓度在cmc附近时，Van der Waals与泰勒展开两种能量形式假设下的两个Hamaker常数项的值。2)通过teflon颗粒跟踪方法，我们测量了不同浓度的SDS溶液表面上PDMS油滴接触溶液后的铺展速度，得到铺展速度与溶液性质的关系，并观察到在不同的浸润状态下，PDMS油滴的铺展方式有着明显差别。特别是在SDS溶液处于中间浓度时，测量得到铺展行为明显与文献中理论预言有偏差，原因为现有理论所用理想化能量形式在系统处于完全浸润条件下能够较好的符合实际情况，但是，当系统最终平衡状态不是完全浸润时，这个简单的能量形式不能全面反映系统中各方面的相互作用。就此我们对原有理想形式的理论模型加上一个能量项修正。这样使得在无论系统最终状态是否是完全浸润，理论计算值与实验值都能够较好的吻合。3)我们观察了油膜回聚成透镜状油滴后，在溶液表面的长时间状态变化。对于每一个浓度下的表面，我们都拍摄了长达100小时的溶液表面变化照片。数据分析表明，回聚后油滴半径以及长时间变化的特性等等都与表面活性剂浓度／表面能量状态／铺展系数等等因素有关。4)温度不同时，系统中各相的表面张力，界面张力以及表面活性剂cmc值都会发生明显变化，因而导致浸润状态亦会随之变化。我们观测了在不同温度情况下，SDS溶液表面浸润情况的变化。在283K，298K，313K三个温度下PDMS油滴在SDS溶液表面随浓度增加的浸润变化情况有所不同。我们对另外一种表面活性剂样品Triton-X100溶液也进行了类似的观测。该类试剂与SDS最大的不同是后者为离子型表面活性剂，在水溶液中发生电离，以离子形式产生表面活性作用；而Triton-X100为非离子表面活性剂，在水溶液中以完整的分子形式存在。这样就导致这两种样品的油相水相之间的浸润行为随浓度变化情况一定有不同。本文中从能量平衡的角度分析了该样品不同浓度溶液表面浸润情况，并与SDS样品进行了比较。主要实验包括：1)我们观察到PDMS／Triton-X100溶液系统极为特殊的铺展动力学过程。与通常液-液系统表面的快速铺展完全不同，在低浓度／高铺展系数时，该系统表现出极慢的铺展速度。我们称之为类固铺展（solid-like spreading），其时间尺度与液-固系统极为接近。随着浓度升高／铺展系数降低，系统的铺展速度反而增加。2)系统在短时间尺度上表现出的平衡状态，与PDMS／SDS溶液系统亦有不同。在浓度增大至某一数值时，PDMS油滴的表面浸润状态会发生从完全浸润到准不完全浸润的转变，同样溶液的表面会形成透镜状油滴。但是之后随着Triton-X100溶液浓度继续增大，油相水相间浸润情况没有如SDS溶液一样的返回完全浸润状态，而是始终处于准不完全浸润状态，高浓度的系统表现出极快的铺展和回聚过程。3)高浓度时回聚形成的赝不完全浸润状态在经过长时间（数小时）后，其回聚油滴将会逐渐消失，系统从而再次回到完全浸润状态。油滴的二次消失现象，是该系统在高浓度时又一个特殊性质，与SDS系统完全不同。二次消失时间随浓度增加而逐渐缩短。Triton-X100系统中这些浸润情况在文献中均没有正式报道过，其中相当多的现象与理论预言相反，或者现有理论无法完全解释，表明此系统中的确存在以往没有考虑过的能量作用。初步推测这类作用的来源可能与溶液中形成的分子聚集体胶束有关，胶束可能导致静电作用，体积效应等等，最终影响表面状态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT（英文摘要）
• 主要符号及缩写对照表
• 第一章 引言
• 1.1 什么是软物质
• 1.2 表面活性剂
• 1.3 浸润现象
• 第二章 理论基础
• 2.1 浸润理论（wetting）
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 铺展系数S
• 2.1.3 浸润状态
• 2.2 铺展理论（spreading）
• 2.2.1 液体在固体表面的铺展
• 2.2.2 液体在液体表面的铺展
• 第三章 PDMS/SDS溶液系统浸润行为
• 3.1 实验装置
• 3.2 平衡浸润状态
• 3.2.1 短时间尺度
• 3.2.2 长时间尺度
• 3.3 铺展过程
• 第四章 PDMS/Triton X-100溶液系统浸润行为
• 4.1 铺展过程
• 4.1.1 类固铺展（solid-like spreading）
• 4.1.2 实验平台
• 4.1.3 现象分析
• 4.2 平衡浸润状态
• 4.2.1 短时间尺度
• 4.2.2 长时间尺度
• 结论
• 参考文献
• 附录A 表面张力
• 附录B Hamaker常数
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文