1、 毕业论文 开题报告 环境工程 正 /负离子型表面活性剂复配体系聚集行为的研究 一、选题的背景、意义 表面活性剂分子都是由极性的亲水基团和非极性的亲油基团两部分组成的。表面活性剂分子依靠疏水作用可以在溶液中或表、界面上形成多种形式的分子有序聚集体如球形、棒状胶团、囊泡、液晶、单分子膜、微乳等。目前，表面活性剂的有序聚集体是制备功能性材料的重要途径之一，它 的聚集行为直接影响合成该类介孔催化剂的孔径和孔形貌。单一表面活性剂的活性和聚集行为比较固定，而二元复配体系具有单一表面活性剂无法比拟的活性和丰富多彩的自聚集行为。正 /负离子表面活性剂复配体系以分子间具有强烈的协同作用和复杂的自组织行为而尤为
2、引人关注。 表面活性剂的表面活性以及其它性能，主要取决于其分子的结构特点，即疏水基和亲水基的组成，但又与体系所处的物理化学环境有密切关系，特别是有其它表面活性剂存在时的分子相互作用影响。实践中发现，在一种表面活性剂中加入另一种表面活性剂时，其溶液的物理化学性质有明显的变化，而此性质是原组分本身所不具有的。 离子表面活性剂与非离子表面活性剂混合体系，是研究较早的一类体系，对它的研究较为成熟，并在实际中有广泛的应用。和单一表面活性剂相 比，该复配体系具有更优良的性质。该复配体系之间的分子相互作用，从结构上考虑，主要是极性头之间的离子 -偶极子相互作用。 正 /负离子表面活性剂复配体系在其头基相反电
3、性的库仑引力下，强烈促进了二者间的碳链疏水作用，使其表现出非常强的分子间相互作用，导致正 /负离子表面活性剂混合体系与离子 /非离子表面活性剂混合体系相比，表现出许多新奇的性质。如在非常低的浓度下即可形成表面活性剂双水相、液晶等；在水溶液中容易形成稳定的囊泡等。这些性质对于一般单链表面活性剂单组分体系是不易办到的。 Gemini 表面活性剂是将两个同一表面 活性剂单体，在其亲水头基或靠近亲水头基附近用联接链通过化学键将其联接在一起。它是当前备受瞩目的新型表面活性剂，它的出现不仅从概念上拓宽了人们对于表面活性剂分子结构的认识，而且还展现出传统表面活性剂所不及的优异自组织特性。二元表面活性剂复配体
4、系中存在多种分子间相互作用力，适当的复配可产生组分间协同作用，表现出复杂的自组织行为和优越的性质。正、负离子表面活性剂复配体系以其分子间强烈的协同作用而尤为引人关注。 迄今，主要相关研究集中在传统结构的表面活性剂复配体系，仅有少量文献报道了含 Gemini 成分的正、负离子 表面活性剂相互作用，但从中已可窥探其体系的奇特与复杂性。研究这类复配体系对于深入认识分子结构和分子间弱相互作用与自组织行为之间的相互关系具有重要意义。 二、相关研究的最新成果及动态 1990 年，日本 Osaka 大学的 Okahara 研究小组合成并研究了具有柔性联接基团的 Gemini阴离子表面活性剂。 研究表明， G
5、emini表面活性剂的表面活性为相应传统表面活性剂的 10-100 倍，临界胶束浓度为相应传统表面活性剂的1/10-1/100，而且具有较低的临界溶解温度，在低浓度下即可形成粘弹性胶束。 1991 年，美国 Emory 大学的 Menger 等合成了带有刚性联接基团（ 1， 4-二甲基苯基）的季铵盐阳离子型 R-N+(CH3)2-CH2-C6H4-CH2-N+(CH3)2-R, 2Br-, R:C12H25, C14H29, C16H33和阴离子型 R-O-PO2Na-O-CH2-C6H4-CH2-O-PO2Na-O-R, 2Br-, R:C12H25, C14H29, C16H33 Gemi
6、ni表面活性剂。 1991 年，法国的 Charles Sadron 研究所的 Zana 研究小组采用聚亚甲基作为联接基团，合成了 一系列 Gemini 型阳离子表面活性剂，并研究了它们的表面性能。同年，美国纽约州立大学 Brooklyn学院的 Rosen研究小组采纳了 Gemini的命名，合成了氧乙烯或氧丙烯柔性基团联接的阴离子型 Gemini 表面活性剂，并撰写了一篇综述。这些实验结果表明， Gemin 型表面活性剂具有比传统表面活性剂更高的表面活性、更低的临界胶束浓度（ CMC）和更低的 C20 （降低溶液表面张力 20 mN/m 所需的表面活性剂的浓度）。 2004年， Zana 教授
7、和江南大学的夏纪鼎教授合著了 “Gemini surfactants, synthesis, interfacial and solution-phase behavior, and application.”一书，概述了 Gemini 表面活性剂的合成、界面性质、溶液相行为及其绿色环保等特点。 国内在 Gemini 型表面活性剂方面的研究起步较晚，姚志钢等按照阳离子型Gemini 表面活性剂、阴离子型 Gemini 表面活性剂、非离子 Gemini 型表面活性剂的合成及两性 Gemini型表面活性剂的分类方法介绍了近百种 Gemini型表面活性剂的分子结构和合成方法。 叶志文等人以十二烷基二
8、甲基胺和 1， 3-二溴丙烷为原料，无水乙醇为溶剂合成阳离子型 Gemini 表面活性剂 ,反应产物以混合溶剂乙酸乙酯 -乙醇重结晶纯化后，用红外光谱及核磁共振进行结构表征，并将其作为晶形改变剂及助乳剂应用于乳胶基质中，使乳化炸药具有较强的稳定性及良好的爆炸性能。其添加Gemini表面活性剂后炸药稳定性增加效果明显。 徐晓明等人用动态光散射技术在 10 70 范围内，通过测定胶团的平均流体力学半径随温度、盐浓度和联接基团长度的变化情况，研究了联接基团为聚亚甲基链的阳离子型 Gemini表面活性剂胶团在无机盐介质中的长大规律。 杜恣 毅等人合成了含对苯氧基联结链的羧酸盐 Gemini表面活性剂，
9、研究了其胶团化特性，证明了苯氧基联结链的羧酸盐 Gemini表面活性剂具有很低的 CMC值，并证实了胶团化过程来自熵驱动。 段明等人以月桂酸、三乙撑四胺以及溴乙烷等相对价廉的原料，制得一类以长链酰胺基为疏水基的双季铵盐表面活性剂。宗平采用不同结构的阳离子型Gemini表面活性剂作为涤纶碱减重量处理的促进剂，试验不同温度下活性剂的促进效果。结果表明，几种 Gemini表面活性剂对涤纶织物的碱减重均有一定的促进作用，随着用量的增加，减量率逐步提高，当表面活性 剂用量达到一定值后，促进作用变得平缓。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 研究内容： 研究了不同头
10、基尺寸的季铵盐 Gemini 表面活性剂 C12(n)-4-C12(n)2Br(n=2,3) 与相反电性的十二烷基硫酸钠（ SDS）混合水溶液的性质： 1. 12(n)-4-12(n)2Br/SDS混合水溶液降低表面张力的能力和效率； 2. 12(n)-4-12(n)2Br/SDS混合水溶液的强烈聚集 3. 12(n)-4-12(n)2Br/SDS混合水溶液聚集体的变化情况。 拟采取的研 究方案： 1表面张力的测定 用 Thermo Cahn DCA315 型表面张力仪，以 Du Nouy 吊环（铂 -铱环）法测定表面活性剂水溶液的平衡表面张力 (测量精度为 0.01mNm 1) ，得到溶液表
11、面张力()表面活性剂总浓度 (logCT)曲线。以此研究混合体系降低表面张力的能力和效率。 2荧光光谱的测定 用 Hitachi F-4500 型荧光光谱仪，以芘为荧光探针（ C 芘 =5.010 6molL 1，激发波长为 335nm），测定芘的荧光发射光谱。以此研究混合体系在水溶液中的聚集情况。 2.3.3胶团聚集数 的测定 用 Hitachi F-4500 型荧光光谱仪，以芘为探针， CPC为猝灭剂 70,71，固定芘的浓度为 2.0 106molL1，改变猝灭剂浓度 CQ，由稳态荧光猝灭法测定C12-2-C122Br/AOT 和 C12TABr/AOT 两混合体系各不同复配比例时表面活
12、性剂总浓度 CT均在 2cmcT，未添加 CPC和添加不同浓度 CPC时波长在 373nm处的荧光强度I0和 I，根据下式 QTT T Ccm cC NII )/ln ( 0 (2 1) 以 ln(I0/I)对 CQ 作图，可得到一直线，由直线斜率可求得混合胶团的总聚集数NT72。 CT和 cmcT分别为混合表面活性剂总浓度和临界胶团总浓度。以此观察聚集体的变化情况。 预期达到的目标： 通过对 12(n)-4-12(n)2Br/SDS混合水溶液进行表面张力等的测定，获得含Gemini成分正 /负复配体系在水溶液中自组织行为方面的信息，了解胶团聚集体随表面活性剂混合浓度增加的变化情况，为以后制备
13、介孔催化剂提供合适的模板。 四、论文详细工作进度和安排 2011 年 2、 3 月完成开题报告、文献翻译、文献 综述； 2010 年 4 月、 5 月完成实验和论文撰写； 2010 年 6 月论文答辩。 五、主要参考文献 1 R. Zana; H. Levy; D. Papoutsi; G. Beinert; Langmuir, 1995, 11:3694. 2 F. M. Menger; C. A. Littau; J. Am. Chem. Soc., 1991, 113: 1451. 3R. Zana; M. Benrraou; R. Rueff; Langmuir 1991, 7:107
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15、 A, 1997, 127:229-232. 9 10 Zana R., Levy H., Papoutsi D., et al. Micellization of Two Triquaternary Ammonium Surfactants in Aqueous Solution. Langmuir, 1995, 11: 3694-3698 10赵国玺 , 肖进新 , 物理化学学报 , 1995, 11(9):785-790. 11丁慧君 , 赵国玺 , 北京大学学报 (自然科学版 ), 1986, 2:1-9. 12丁慧君 , 吴贤亮 , 赵国玺 , 化学学报 , 1985, 43:603
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17、uyama; Colloids Surf. A, 1994, 88:1. 17 水玲玲，郑利强，赵剑曦，双子表面活性剂体系的界面活性研究， 2001，第 18卷第 2期 18 L. Liu; M. J. Rosen; J. Colloid Interface Sci., 1996, 179:454. 19 F. M. Menger; A. V. Eliseev; Langmuir, 1995, 11:1855. 20 R. Zana; H. Levy; D. Danino; Y. Talmon; K. Kwetkat; Langmuir, 1997, 13: 402. 21 马艳华 姜 蓉 赵剑曦， C9pPHCNa 与 C TABr 混合水溶液的表面吸附和胶团形 成，物理化学学报， 2005, 21(8)： 939 943 22刘金彦，郭贵宝等， Gemini表面活性剂 C_(12)-2-C_(12)2Br 在气 -液界面吸附动力学 - 应 用化学 2008年 08期
