Tween20/40的CMC測定及NaCl的影響

王新紅，戴兢陶

(鹽城師范學院化學化工學院，江蘇 鹽城 224051)

表面活性劑是一類用途廣泛的有機化合物，它在物料中有消泡、起泡、乳化、增溶和催化等多種作用，常用于洗滌、染色、纖維加工、電鍍和浮選等多方面[1-4]。表面活性劑中添加適量的無機鹽，可以改變表面活性劑的黏度，使其臨界膠束濃度與表面張力發生變化，從而提高表面活性劑的表面活性。其中非離子表面活性劑在水中不發生電離，是以羥基(—OH)或醚鍵為親水基的分子結構。正是由于在水中不電離的特點，決定了它在某些方面較離子型表面活性劑優越，如在水中和有機溶劑中都有較好的溶解性，在溶液中穩定性高，不易受強電解質無機鹽和酸、堿的影響。由于它與其它類型表面活性劑相容性好，常可以很好地混合復配使用，因此在很多領域中都有重要用途。

測定表面活性劑CMC 的方法已有30多種[5-9]，如電導法、染料法、增溶作用法、表面張力法和NMR 方法等。紫外吸收分光光譜也是確定表面活性劑CMC 值的一種簡單、準確的有效方法，可測定多種表面活性劑的CMC值。該方法的關鍵是尋找一種理想的光度探針,其λmax對表面活性劑聚集體微環境下的性質很敏感，其敏感性越強，對CMC的測定越可靠。

本研究利用紫外吸收分光光譜儀在碘溶液存在的情況下測定了非離子表面活性劑Tween20[聚氧乙烯(20)山梨醇酐單月桂酸酯]和Tween40[聚氧乙烯(40)山梨醇酐單棕櫚酸酯]的CMC，并用黏度法研究了無機鹽NaCl對其CMC值的影響。

1　試驗部分

1.1　試劑與儀器

聚氧乙烯(20)山梨醇酐單月桂酸酯(Tween20)：化學純，國藥集團化學試劑有限公司產品；聚氧乙烯(40)山梨醇酐單棕櫚酸酯(Tween40)：化學純，國藥集團化學試劑有限公司產品；氯化鈉(NaCl)：化學純；碘：化學純；水：去離子水。

ZC-18Q超級恒溫水槽(±0.1 ℃)(寧波天恒儀器廠)；JA1203N電子天平(上海精密科學儀器有限公司)；烏式黏度計；紫外分光光度計specord 50(安捷倫科技有限公司)。

1.2　試驗方法

1.2.1紫外吸收光譜法以I2作為顯色劑測定Tween20(Tween40)的CMC值

在一系列的25 mL容量瓶中各加入15 mL飽和碘溶液，并在每個容量瓶中加入不等量的Tween20(Tween40)溶液，均用蒸餾水定容至25 mL。測定不同濃度的Tween20(Tween40)溶液的紫外吸收光譜。

1.2.2黏度法測定CMC值

配置一系列Tween20溶液(Tween40溶液)，控制試驗溫度為25 ℃。使用烏式黏度計測量溶液的流出時間，每一樣品重復3次，取3次平均值作為最終的流出時間t1，測另一樣品溶液前應洗凈并吹干黏度計。測定溶劑的流出時間t0。

分別在0.01、0.10和1.00 mol/L的NaCl溶液存在下配置一系列不同黏度的Tween20(Tween40)溶液，同上法測定溶劑、溶液的流出時間，測定CMC值和NaCl對其的影響。

2　結果與討論

2.1　碘溶液存在時Tween20/40溶液的CMC值測定

圖1是以碘為顯色劑，Tween20溶液吸光度與濃度的關系圖。

圖1　298 K時Tween20溶液的吸光度和濃度的關系圖Fig.1　Relationship of absorbance and concentration of Tween20 solution at 298 K

由圖1可以看出，298 K時，當體系中碘單質濃度為85.97×10-5mol/L時，隨著Tween20的濃度增大，吸光度呈增大趨勢。發現當Tween20的濃度增大為5.19×10-5mol/L時吸光度增加的幅度明顯變大，而此濃度即為Tween20溶液的臨界膠束濃度(CMC)。在非離子表面活性劑Tween20體系中碘最大吸收波長(λmax)在459 nm處發生了藍移，由文獻[8]可知，熒光法也同時顯示發生了藍移。藍移的發生是因為表面活性劑表面的PEO鏈中的醚氧基團給I2的σ*軌道提供了電子，從而形成了表面活性劑-碘復合物。碘溶液在Tween20溶液中的350～500 nm處的吸收波長如圖2所示。

圖2　298 K時Tween20溶液的吸收光譜Fig.2　Absorption spectrum of Tween20 solution at 298 K

隨著Tween20溶液的濃度不斷增大，I2在459 nm處的峰迅速的藍移且吸光度逐漸增大。最大吸收波長隨著濃度的增加而在Tween20溶液的臨界膠束濃度后急劇下降。以波長對Tween20濃度作函數關系圖，對該函數進行一次微分后再作圖，便可迅速且準確地找出Tween20溶液的CMC。結果如圖3所示。

圖3　298 K時Tween20溶液最大吸收波長和濃度的關系及微分關系Fig.3　Relationship of absorption of wavelength and concentration of Tween20 solution at 298 K

298 K時，碘溶液存在于Tween40溶液中也是與Tween20溶液相類似的，由上述方法也可找出Tween40溶液的CMC。

比較Tween20和Tween40的試驗結果，波長對濃度一次微商后，298 K時Tween20溶液和Tween40溶液的最高或最低峰所對應的濃度分別為5.25×10-5mol/L和1.90×10-5mol/L。這些濃度可近似等于各自的CMC。由紫外吸收光譜法測得的非離子表面活性劑的CMC列于表1中。

表1　紫外光譜法測定的Tween20/40的CMCTable 1　CMC values of Tween20/40 determined by ultraviolet spectrum method

結果表明本研究所示方法測得的數據與參考文獻[8]的數據很接近。

2.2　NaCl 對Tween20/40的CMC值及黏度的影響

298 K時,由試驗測定了有鹽和無鹽時Tween20水溶液的黏度，如圖4所示。

圖4　298 K時，Tween20溶液在不同濃度NaCl溶液中相對黏度和濃度的關系Fig.4　Relationsship of relative viscosity and concen-tration of Tween20 solution at 298 K with NaCl

當無鹽存在時，Tween20水溶液的相對黏度隨著Tween20的濃度增大基本呈現增大趨勢，但是存在明顯的突變點。小于突變點濃度時,體系中的表面活性劑分子呈現單體狀態，隨著單體數目增大，相對黏度增大。在突變點之后，體系形成了膠束狀態，隨著表面活性劑濃度的增大，相對黏度呈現較緩慢的增加，這表明體系的膠束尺寸基本保持不變。突變點對應的濃度即為黏度法測定的CMC值為5.00×10-5mol/L。

隨著鹽濃度的增大，表面活性劑濃度相同時，體系的相對黏度逐漸下降。在低表面活性劑濃度時，相對黏度逐漸增大，在高表面活性劑濃度時，相對黏度基本保持不變，但隨著鹽濃度的增大，有微弱的下降趨勢。這主要是由于非離子表面活性劑以聚氧乙烯鏈(PEO)為親水基,在水中不會電離出離子,但是PEO的醚鍵氧原子(─O─)與水分子締合形成的氫鍵不穩定，當加入一定量的鹽離子時，鹽離子的作用可能使氫鍵斷裂而形成尺寸較小的膠束，因此體系的相對黏度有微弱下降[9-10]。但無機鹽NaCl對表面活性劑的CMC值無影響。

同法測定了Tween40水溶液的鹽效應。據曲線上的突變點求得表面活性劑的CMC為1.93×10-5mol/L。

3　結論

以碘為顯色劑采用紫外分光光度法研究了Tween20、Tween40的臨界膠束濃度(CMC)，分別為5.19×10-5mol/L和1.90×10-5mol/L。該數據與文獻值基本一致，說明此法是比較方便可靠的一種測定方法。由黏度法測定Tween20和Tween40水溶液的相對黏度，求的CMC值分別為5.00×10-5mol/L和1.93×10-5mol/L。而無機鹽NaCl對Tween20、Tween40水溶液的相對黏度有明顯影響，但是對CMC值無影響。

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