高分子溶液黏度對表面活性劑表面張力的影響研究

吳 濤，王志龍

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434000)

表面張力[1-5]是液體的重要性質之一，是化工、石油和流體工程等領域所必需的基礎數據之一。對于溶液表面張力的理論研究和經驗關聯一直是理論工作者和工程技術人員十分重視的課題，同時表面張力也是判斷表面活性劑性質優劣的重要判據之一。而在石油工業領域，表面活性劑往往和高分子溶液[6-7]一起使用，使得原來的溶液性質發生較大的變化，但很少有研究討論高分子溶液黏度與表面活性劑表面張力的關系，而國外對于高分子溶液與表面活性劑的研究大部分基于兩者之間的疏水相互作用[8]、靜電相互作用[9]和氫鍵相互作用[10]。基于此，作者通過添加高分子溶液，改變溶液黏度，探究高分子溶液黏度對表面活性劑表面張力的影響程度和規律。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

十二烷基硫酸鈉(SDS)，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，油酸鈉，OP-10，羧甲基纖維素，多元醇聚合物；實驗用水為蒸餾水。

JK99B型全自動張力儀，上海中晨數字技術設備有限公司；ZNN型六速旋轉黏度計，青島百瑞達石油機械制造公司；電子精密天平；電動攪拌器、水浴鍋，常州國宇儀器制造有限公司。

1.2 方法

由于所測溶液表面張力對精度要求較高，故溶液溫度控制在25 ℃；由于所選用的高分子溶液黏度范圍較低，故儀器轉速控制在300 r·min-1，室內溫度控制在28 ℃。

實驗方案如下：在使用蒸餾水進行機器校準檢驗之后，通過測定不同濃度表面活性劑(SDS、SDBS、油酸鈉、OP-10)水溶液的表面張力，確定臨界膠束濃度(CMC)；選擇合適黏度(7、14、26、33、40、55、60、73、85、95，mPa·s)的高分子溶液(羧甲基纖維素和多元醇聚合物)加入到上述不同濃度的表面活性劑中，測定表面張力，以研究高分子溶液黏度對表面活性劑表面張力的影響。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑水溶液的臨界膠束濃度

不同濃度表面活性劑(SDS、SDBS、油酸鈉、OP-10)水溶液的表面張力見表1。

表1 不同濃度表面活性劑水溶液的表面張力

由表1可知，4種表面活性劑SDS、SDBS、油酸鈉、OP-10在水中的臨界膠束濃度分別為：0.008 mol·L-1、0.001 4 mol·L-1、0.001 2 mol·L-1、0.000 14 mol·L-1。隨著表面活性劑水溶液濃度的增加，表面張力逐漸降低，直至臨界膠束濃度；當表面活性劑水溶液濃度大于臨界膠束濃度時，表面張力趨于穩定。這是因為，當表面活性劑水溶液達到臨界膠束濃度后，其表面已被一層定向排列的分子所覆蓋，濃度達到了最大值。

2.2 加入高分子溶液后表面活性劑的表面張力

2.2.1 加入高分子溶液后SDS的表面張力

在不同濃度SDS溶液中分別加入不同黏度的羧甲基纖維素或多元醇聚合物溶液后，測定混合溶液的表面張力，考察高分子溶液黏度對SDS表面張力的影響，結果如圖1所示。

由圖1可知，在SDS溶液中加入不同黏度高分子溶液后，隨著高分子溶液黏度的增大，SDS的表面張力呈逐漸上升趨勢；隨著SDS溶液濃度的增加，表面張力呈逐漸下降趨勢，當SDS溶液濃度增至0.008 mol·L-1時，表面張力趨于穩定，此時SDS溶液的濃度處于臨界膠束濃度；加入不同黏度高分子溶液后的SDS溶液的臨界膠束濃度與SDS水溶液的臨界膠束濃度相同。

圖1 高分子溶液黏度對SDS表面張力的影響Fig.1 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of SDS

在加入黏度為14 mPa·s的羧甲基纖維素溶液后，SDS在臨界膠束濃度對應的表面張力為36.60 mN·m-1。

2.2.2 加入高分子溶液后SDBS的表面張力

在不同濃度SDBS溶液中分別加入不同黏度的羧甲基纖維素或多元醇聚合物溶液后，測定混合溶液的表面張力，考察高分子溶液黏度對SDBS表面張力的影響，結果如圖2所示。

圖2 高分子溶液黏度對SDBS表面張力的影響Fig.2 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of SDBS

由圖2可知，在SDBS溶液中加入不同黏度高分子溶液后， SDBS的表面張力有一個較大的提升；隨著高分子溶液黏度的增大，表面張力并無較大的變化；加入不同黏度高分子溶液后的SDBS溶液的臨界膠束濃度與SDBS水溶液的臨界膠束濃度相同；加入高分子溶液后，SDBS溶液的表面張力相對于SDS溶液均有一個較大的提升，可能是因為，SDBS相對SDS有著更高的分子量，因此SDBS具有更強的分子間作用力。在加入黏度為14 mPa·s的羧甲基纖維素溶液后，SDBS在臨界膠束濃度對應的表面張力為40.06 mN·m-1。

2.2.3 加入高分子溶液后油酸鈉的表面張力

在不同濃度油酸鈉溶液中分別加入不同黏度的羧甲基纖維素或多元醇聚合物溶液后，測定混合溶液的表面張力，考察高分子溶液黏度對油酸鈉表面張力的影響，結果如圖3所示。

由圖3可知，在油酸鈉溶液中加入不同黏度高分子溶液后，油酸鈉的表面張力均有一個較大的躍遷，猜測可能是高分子溶液分散在油酸鈉溶液中后，因為具有較強的粘結作用，從而增強了油酸鈉分子間作用力，使得表面張力有所提升；隨著高分子溶液黏度的增大，表面張力幾乎沒有變化；加入不同黏度高分子溶液后的油酸鈉溶液的臨界膠束濃度與油酸鈉水溶液的臨界膠束濃度相同。在加入黏度為14 mPa·s的羧甲基纖維素溶液后，油酸鈉在臨界膠束濃度對應的表面張力為54.30 mN·m-1。

圖3 高分子溶液黏度對油酸鈉表面張力的影響Fig.3 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of sodium oleate

2.2.4 加入高分子溶液后OP-10的表面張力

在不同濃度OP-10溶液中分別加入不同黏度的羧甲基纖維素或多元醇聚合物溶液后，測定混合溶液的表面張力，考察高分子溶液黏度對OP-10表面張力的影響，結果如圖4所示。

圖4 高分子溶液黏度對OP-10表面張力的影響Fig.4 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of OP-10

由圖4可知，在OP-10溶液中加入不同黏度高分子溶液后，OP-10的表面張力均有一個顯著的提升；隨著高分子溶液黏度的增大，表面張力變化不大，當加入黏度為26 mPa·s、85 mPa·s的多元醇聚合物時，0.000 06 mol·L-1OP-10的表面張力分別為45.10 mN·m-1、44.95 mN·m-1；隨著OP-10濃度的增加，表面張力逐漸下降，直至臨界膠束濃度時趨于穩定；加入不同黏度高分子溶液后的OP-10溶液的臨界膠束濃度與OP-10水溶液的臨界膠束濃度相同。在加入黏度為14 mPa·s的羧甲基纖維素溶液后，OP-10在臨界膠束濃度對應的表面張力為44.05 mN·m-1。

2.3 討論

對比加入不同黏度高分子溶液前后表面活性劑的表面張力可知：加入高黏度高分子溶液后，4種表面活性劑的表面張力均會有一個明顯的提升，但是升高的程度不同，高分子溶液黏度對SDS和SDBS的表面張力的影響程度較對油酸鈉和OP-10的小；隨著所加高分子溶液黏度的增大，4種表面活性劑的表面張力均無較大的變化；加入高分子溶液后，4種表面活性劑在臨界膠束濃度下的表面張力相較于表面活性劑水溶液有一個提升，但是其臨界膠束濃度不會改變。表明，高分子溶液會對表面活性劑的表面張力有一定的影響，在一定黏度范圍內會略微提高表面活性劑的表面張力，但是影響程度是有限的，且不隨黏度增大有較大的變化。

3 結論

通過測定4種表面活性劑在加入不同黏度羧甲基纖維素和多元醇聚合物溶液后的表面張力，得到如下結論：增大高分子溶液黏度，表面活性劑的表面張力略有提升，但變化不大；在一定黏度范圍內，高分子溶液黏度對表面活性劑的臨界膠束濃度沒有影響；高分子溶液黏度對表面活性劑表面張力的影響在一定范圍內與黏度并不具有線性關系。