AOT/水/甲苯微乳體系的第二維里系數和液滴間的相互作用

彭旭紅 鄭佩珠 馬元明 殷天翔 安學勤 沈偉國,,*

(1蘭州大學化學系,蘭州730000; 2華東理工大學化學系,上海200237)

AOT/水/甲苯微乳體系的第二維里系數和液滴間的相互作用

彭旭紅1鄭佩珠2馬元明1殷天翔2安學勤2沈偉國1,2,*

(1蘭州大學化學系,蘭州730000;2華東理工大學化學系,上海200237)

在一系列溫度下通過對水與丁二酸雙(2-乙基己基)酯磺酸鈉(AOT)摩爾比為12、不同濃度的AOT/水/甲苯微乳液進行靜態光散射測量,獲得液滴的相對分子質量、AOT的聚集數、液滴半徑和不同溫度下的第二維里系數.利用第二維里系數與溫度的關系獲得液滴的相互作用焓和熵,分別為-4.03×104J·mol-1和-139.8 J·mol-1· K-1,說明AOT/水/甲苯微乳液滴間表面活性劑疏水鏈相互交叉滲透的能量變化為負值,交叉滲透為焓驅動.

微乳液;AOT;第二維里系數;液滴間相互作用;靜態光散射

1 引言

微乳液是由水、油、表面活性劑以適當比例構成的熱力學穩定體系,可看成是水與表面活性劑構成的液滴分散在油連續相中的似兩元溶液.液滴的半徑由水與表面活性劑的摩爾比決定,有與大分子相似的行為,其中水分子聚集在液滴內部形成水核,表面活性劑親水極性基團朝向水核排成單分子層.研究發現液滴之間存在一種相當強的短程相互作用,是鄰近兩個液滴的表面活性劑的疏水鏈相互交叉滲透產生的,1遠大于范德華作用.2這種相互作用的研究一直備受關注.

流體和流體混合體系的第二維里系數是重要的宏觀熱力學量,與體系中粒子的尺寸和粒子間的相互作用密切相關.精確測量微乳液的第二維里系數可以獲得液滴的尺寸和液滴間的相互作用的信息.已有文獻報道用動、靜態光散射,3-6小角中子散射,1,7-9X射線衍射,10粘度測量,11電導率測量,3介電常數測量,12滴定量熱13,14等方法測定第二維里系數并獲得液滴的尺寸和液滴間相互作用信息.理論上也有不少解釋微乳液滴間相互作用及其與第二維里系數關聯的建樹.Pincus2提出一個微乳液滴間普遍存在相互吸引模型,這種吸引與組成微乳液的組分的性質無關.Huang1,Roux15和Kim16等用一維方形勢阱模型描述微乳液中液滴間的相互作用,并與液滴第二維里系數B2相關聯得到:

式中(B2)HS是直徑為(σ-w)的硬球第二維里系數,ε為吸引能,為負值,又稱阱深,k是波爾茲曼常數,σ為液滴的直徑,w為阱寬,是兩個液滴的表面活性劑疏水鏈相互交叉滲透的長度.方程(1)的第一項是硬球排斥作用,第二項是勢阱的吸引作用,此模型僅適用ε＜0和B2＜(B2)HS的情況,相互作用能或焓為負值. Bothorel等17,18提出一個平均場相互作用勢,可以用自由能表示,包括焓效應和熵效應,并測量了一系列十二烷基硫酸鈉作為表面活性劑參與的微乳液的第二維里系數,發現表面活性劑疏水鏈相互交叉滲透產生負的能量變化,其絕對值大小正比于兩個液滴的重疊體積.實驗觀察到,對有些微乳體系(例如AOT/水/異辛烷)液滴間的相互作用能或焓為正值,19-21液滴間的交叉滲透或聚集由熵效應驅動. Koper等12,21提出了液滴連續聚集模型和排斥粘性硬球(repulsive sticky harder sphere)模型,將實驗測得的第二維里系數與硬球第二維里系數之差歸于液滴間的締合,該差與締合度或締合平衡常數相關,分為焓貢獻和熵貢獻兩部分.區分焓貢獻和熵貢獻以及研究各自與微乳組成的關系對于了解液滴間相互作用的機制十分重要.

區分焓貢獻和熵貢獻的一個重要途徑是精確測量第二維里系數隨溫度的變化率或第二維里系數與硬球第二維里系數之差隨溫度的變化率.為了得到可靠的第二維里系數隨溫度的變化率,要求提高第二維里系數測量精度,靜態光散射是公認的測量維里系數最精確的實驗方法之一,但其測量精度受制于溶劑與溶質的折射率之差,適當選擇一個溶劑使溶液折射率隨溶質濃度的變化率盡可能大非常關鍵.甲苯與AOT/水構成的液滴的折射率有較大的差別,已有文獻報道了對AOT/水/甲苯構成的油包水微乳液的光散射研究,3但沒有考察溫度效應.本文在一系列溫度下對水與AOT摩爾比為12、不同濃度的AOT/水/甲苯微乳液進行靜態光散射測量,獲得液滴的相對分子質量、聚集數、液滴半徑和不同溫度下的第二維里系數,探討液滴間的相互作用的焓貢獻和熵貢獻.

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

激光光散射儀:美國Brookhaven公司(型號BI-200SM),配用BI-9000AT型數字相關器,測量角度范圍10°-160°;光源為美國光譜物理公司的氬離子激光器(型號2017-04S),波長范圍458-514 nm,最大輸出功率4 W.甲苯:天津化學試劑有限公司產品,純度＞99.5%;AOT:美國Fluka公司產品,純度99%,使用前切成小薄片放在裝有五氧化二磷的真空干燥器中干燥約兩周;去離子水:用艾科浦理化分析型超純水機(型號ALH-6000-U)制取.

2.2 樣品制備

分別在容量瓶中稱重加入AOT和水,水與表面活性劑AOT的摩爾比r=12，隨后加入一定量的甲苯,振搖至均勻透明,稀釋至刻線.將配好的微乳液放在磁力攪拌器上攪拌數小時后待用.用甲苯稀釋上述微乳液,配置一系列不同濃度的樣品,濃度范圍為(6-100)×10-3g·mL-1,用美國Milipore公司的孔徑為220 nm的油系濾膜對樣品過濾除塵,隨后移入美國Brookhaven公司的圓柱形石英光散射池(直徑27 mm)中待測,石英光散射池在使用前作除塵處理.

2.3 光散射測量

溶液中粒子的散射光強與粒子的相對分子質量和第二維里系數的關系可表述為:22

對于微乳液,上式中M為液滴相對分子質量,C為液滴的濃度,單位為g·mL-1,B為相應的第二維里系數,單位為mol·cm3·g-2;I(90)和I(90)toluene分別為樣品和甲苯在散射角為90°時的散射光強,R(90)和R(90)toluene分別為樣品和甲苯在散射角度為90°時的瑞利比,R(90)toluene=4.0×10-5cm-1;HC為光學常數:

單位為mol·cm2·g-2,n、λ、和N分別為折射率、波長和阿佛加德羅常數.

分別在293.15、298.15、303.15、308.15和313.15 K,散射角為90°的條件下測定一系列不同濃度的AOT/水/甲苯微乳液和純溶劑甲苯的散射光強，溫度控制在±0.1 K.為提高光強測量精度,將20次光強測量結果取平均值.在上述溫度下測量不同濃度的微乳液的折射率,求得?n/?C.由測量得到的光強和?n/?C通過式(3)-(5)求出相對分子質量M和第二維里系數B.

3 結果和討論

實驗測量得到的5個溫度下的HCC/R(90)與C的關系示于圖1中,線性最小二乘擬合得到M和B, B通過下式:23

換算成表征液滴間相互作用的B2,單位為nm3.令阱寬w=0,由式(2)求出(B2)HS.每個液滴中AOT分子的聚集數m可用下式計算:

式中MW和MA分別為水和表面活性劑AOT的相對分子質量,液滴半徑Rh可用下式計算:

圖1 不同溫度下HCC/R(90)和濃度C的關系圖Fig.1 Plots of HCC/R(90)vs C at various temperatures The points represent the experimental results,and the lines represent the values calculated by equation(3).HC:the optical constant with the concentration unit of g·mL-1;R(90):Rayleigh ratio at the scattering angle of 90°

表1 通過擬合公式(3)得到的不同溫度下AOT/水/甲苯微乳體系微觀參數Table 1 Microscopic parameters ofAOT/water/toluene microemulsion system from fitting with equation(3)at various temperatures

式中ds是液滴的平均密度,可以通過分析已報道的AOT/水/甲苯微乳液的密度數據23得到.表1給出5個溫度下的M、B2、(B2)HS、Rh和每個液滴的體積vd，都隨溫度增加而增加.由表可見,B2＞(B2)HS,因此無法用式(1)和(2)來處理實驗數據,得到能量ε.在293.15 K時測得Rh=2.73 nm,與文獻1報道的294.65 K下的值(2.78 nm)吻合.在303.15 K時測得Rh=2.79 nm,與測量濁度得到的3.53 nm23相差較遠,可能因為后者使用了式(1)和式(2)擬合實驗數據,導致過大的(B2)HS和Rh.

單位體積的第二維里系數與單位體積的硬球第二維里系數之差可以表述為焓和熵貢獻的和:12,24

圖2給出(B2-(B2)HS)/vd與1/T的線性關系,最小二乘擬合得到ΔH和ΔS,分別為-4.03×104J·mol-1和-148.3 J·mol-1·K-1,ΔH和ΔS是液滴間表面活性劑疏水鏈相互交叉滲透的摩爾焓和摩爾熵，或者說-ΔH和-ΔS是將1 mol液滴稀釋到無限稀的焓效應和熵效應.

根據Carnahan和Starling25提出的硬球對滲透壓貢獻的表述,光散射實驗測量的瑞利比與液滴的體積分數?有如下關系:18,26

圖2 (B2-(B2)HS)/v-d和1/T的關系圖Fig.2 Plot of(B2(B2)HS)/vdvs 1/T The points represent the experimental results,and the line represents the values calculated by equation(9).

式中a是硬球與液滴摩爾體積之比,H?是以?為濃度變量的光學常數,單位為cm-4:

對應的第二維里系數B?為

其中硬球第二維里系數(B2)HS的貢獻為

相互作用參數A可以表述為焓效應和熵效應的貢獻:

Carnahan-Starling方程考慮了溶液不足夠稀時液滴濃度對(B2)HS的影響,當?足夠小,方程(10)和(14)分別與方程(3)(將方程(3)中濃度變量換為體積分數)和(9)一致.將不同溫度測量的H??/R(90)對體積分數?作圖,示于圖3.原則上可對式(10)進行非線性最小二乘擬合,求得不同溫度下A、vd和a,但A和a強烈關聯,無法同時求出.我們令a=1(這與前文中令w=0是一致的),用非線性最小二乘擬合式(10)得到A、vd,進而得到Rh、聚集數m以及相對分子質量M,列于表2.用式(12)和式(13)計算B?和(B?)HS,發現 B?和 (B?)HS都隨 ?的增加而增加，除了T= 313.15 K外，其它溫度下B?都小于(B?)HS,相應A值都為負值,表示液滴間存在交叉滲透,交叉滲透產生負的相互作用勢的變化.對比表1和表2發現,用Carnahan-Starling方程處理實驗數據比用方程(3)處理得到的微觀參數小2%-6%.以A/2對1/T作圖,示于圖4.最小二乘擬合得到ΔH和ΔS,分別為-4.03×104J·mol-1和-131.2 J·mol-1·K-1.前者與用方程(9)處理的結果一致,后者比用方程(9)處理的結果大12.5%.

圖3 在不同溫度下H??/R(90)對?的關系圖Fig.3 Plots ofH??/R(90)vs?at various temperaturesThe points represent the experimental results,the lines represent the values calculated by equation(10).H?:the optical constant with the concentration variable being volume fraction;?:the volume fraction of the droplet

表2 通過擬合公式(10)得到的不同溫度下AOT/水/甲苯微乳體系微觀參數Table 2 Microscopic parameters ofAOT/water/toluene microemulsion system from fitting with equation(10)at various temperatures

圖4 作用參數A/2對1/T的關系圖Fig.4 Plot of interaction parameterA/2 vs 1/TThe points represent the experimental results,and the line represents the values calculated by equation(14).

4 結論

在一系列溫度下測量了水與AOT摩爾比為12、不同濃度的AOT/水/甲苯微乳液在散射角為90°的散射光強,得到液滴相對分子質量為5.9×104g· mol-1,在298.15 K時AOT的聚集數和液滴半徑分別為90和2.8 nm,與文獻報道的用動態光散射測得的結果一致.光散射測量同時給出不同溫度下的第二維里系數,并由此求得液滴的相互作用焓和熵,它們分別為-4.03×104J·mol-1和-148.3 J·mol-1·K-1.使用考慮了溶液不足夠稀時液滴濃度對(B2)HS影響的Carnahan-Starling方程，得到液滴的相互作用焓和熵分別為-4.03×104J·mol-1和-131.2 J·mol-1·K-1.兩種方法得到的相互作用焓一致,相互作用熵的平均值為-139.8 J·mol-1·K-1.相互作用焓和熵都為負值,說明液滴間表面活性劑疏水鏈相互交叉滲透由焓效應驅動.

(1)Huang,J.S.;Safran,S.A.;Kim,M.W.;Grest,G.S.Phys.Rev. Lett.1984,53(6),592.

(2) Pincus,P.A.J.Chem.Phys.1987,86(3),1644.

(3)Velázquez,M.M.;Valero,M.;Ortega,F.J.Phys.Chem.B 2001,105,10163.

(4) Zulauf,M.;Eicke,H.F.J.Phys.Chem.1979,83,480.

(5) Corti,M.;Degiorgio,V.J.Phys.Chem.1981,85,711.

(6) Cazabat,A.M.;Langevin,D.J.Chem.Phys.1981,74(6),3148.

(7)Dozier,W.D.;Kim,M.W.;Kleins,R.J.Chem.Phys.1987,87 (2),1455.

(8) Ober,R.;Taupin,C.J.Phys.Chem.1980,84,2418.

(9) Lee,C.T.;Johnston,K.P.;Dai,H.J.;Cochran,H.D.; Melnichenko,Y.B.;Wignall,G.D.J.Phys.Chem.B 2001,105, 3540.

(10) Robertus,C.;Joosten,J.G.H.;Levine,Y.K.Phys.Rev.A 1990, 42,4820.

(11) Smeets,J.;Koper,G.J.M.;van der Ploeg,J.P.M.;Bedeaux,D. Langmuir 1994,10,1387.

(12)Koper,G.J.M.;Sager,W.F.C.;Smeets,J.;Bedeaux,D. J.Phys.Chem.1995,99,13291.

(13) Chen,W.Y.;Kuo,C.S.;Liu,D.Z.Langmuir 2000,16,300.

(14) Li,N.;Zhang,S.;Zheng,L.;Gao,Y.;Li,Y.Langmuir 2008,24, 2973.

(15) Roux,D.;Bellocq,A.M.;Leblane,M.S.Chem.Phys.Lett. 1983,94,156.

(16)Kim,M.W.;Dozier,W.D.;Klein,R.J.Chem.Phys.1986,84 (10),5919.

(17) Lemalre,B.;Bothorel,P.;Roux,D.J.Phys.Chem.1983,87, 1023.

(18) Brunetti,S.;Roux,D.;Bellocq,A.M.;Fourche,G.;Bothorel, P.J.Phys.Chem.1983,87,1028.

(19) Goffredi,F.;Liveri,V.T.;Vassallo,G.J.Colloid Interface Sci. 1992,151,396.

(20) Fini,P.;Castagnolo,M.;Catucci,L.;Cosma,P.;Agostiano,A. Colloid Surf.A-Physicochem.Eng.Asp.2004,244,179.

(21) Koper,G.J.M.;Bedeaux,D.Physica A 1992,187,489.

(22)Zhou,S.;Wu,C.Macromolecules 1995,28,5225.

(23) Li,P.;An,X.Q.;Shen,W.G.Acta Phys.-Chim.Sin.2001,17, 144.[李 鵬,安學勤,沈偉國.物理化學學報,2001,17, 144.]

(24) Munk,P.Introdution to Macromolecular Science;John Wiley& Sons:New York,1989;p 229.

(25) Carnahan,N.F.;Starling,K.E.J.Chem.Phys.1969,51,635.

(26) Hou,M.J.;Kim,M.;Shah,D.O.J.Colloid Interface Sci.1988, 123,398.

December 27,2010;Revised:March 15,2011;Published on Web:March 25,2011.

The Second Virial Coefficient and Droplet Interaction of AOT/Water/Toluene Microemulsion

PENG Xu-Hong1ZHENG Pei-Zhu2MA Yuan-Ming1YIN Tian-Xiang2AN Xue-Qin2SHEN Wei-Guo1,2,*
(1Department of Chemistry,Lanzhou University,Lanzhou 730000,P.R.China;2Department of Chemistry,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,P.R.China)

Static light scattering measurements on a microemulsion of sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate(AOT)/water/toluene with a water to AOT molar ratio of 12 at a series of temperatures and droplet concentrations were carried out to obtain their molecular weights,aggregation number,radius,and the second Virial coefficient of the droplets at various temperatures and concentrations.The dependence of the second Virial coefficient on the temperature was used to obtain the enthalpy and entropy of the interaction between the droplets,which were-4.03×104J·mol-1and-139.8 J·mol-1·K-1,respectively. These values indicate that the energy of surfactant penetration between the droplets in the AOT/water/ toluene microemulsion system is negative and the penetration is driven by enthalpy.

Microemulsion;AOT;The second Virial coefficient;Droplet interaction; Static light scattering

O642

?Corresponding author.Email:shenwg@lzu.edu.cn;Tel:+86-21-64250047.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20973061,21073063).

國家自然科學基金(20973061,21073063)資助項目