耗散颗粒动力学模拟研究表面活性剂在水溶液中的自组装行为

摘要

表面活性剂由于其自身独特的性质在水溶液中会自组装形成不同结构的聚集体，如胶束、囊泡、液晶及微乳液等。这些自组装结构的聚集体在石油化工、化妆品、生物化学、食品及药物等领域中有着广泛的应用。
　　 由于表面活性剂分子的亲水疏水特性、浓度和温度等因素对表面活性剂自组装形成不同结构的聚集体有重要的影响，因此，研究这些因素对表面活性剂在水溶液中自组装行为的影响对于掌握不同聚集体结构变化具有重要的意义。本文采用耗散颗粒动力学模拟方法研究了几种不同分子结构的表面活性剂在水溶液中的自组装行为。研究对象为直链不同亲水和疏水链长、亲水疏水分支结构以及两种特殊结构的表面活性剂。主要从介观水平上通过所形成聚集体的结构对比其临界胶束浓度、聚集体大小和密度峰值等参数的变化得到表面活性剂的分子结构对其自组装性能的影响。主要研究内容和结论如下：
　　 (1)采用耗散颗粒动力学模拟方法研究了表面活性剂的分子结构对其在水溶液中自组装形成胶束的影响。主要从介观水平上通过临界胶束浓度、聚集体大小以及密度峰值对应所形成的结构图反映亲水、疏水基团链长以及链分支结构对胶束聚集体大小和紧凑程度的影响。实验结果表明，对于直链表面活性剂，当亲水基团相同时，随着疏水链的增长，临界胶束浓度值减小，所形成的胶束聚集体增大，聚集体越紧凑；当疏水基团相同时，随着亲水基团链长的增加，临界胶束浓度值增大，所形成的胶束聚集体减小，聚集体中水分子数目越多。与直链表面活性剂相比，疏水链分支可促进表面活性剂分子聚集，使临界胶束浓度值减小，所形成的胶束聚集体较大且更紧凑；亲水链分支可抑制表面活性剂分子聚集，使临界胶束浓度值增大，所形成的胶束聚集体较小，聚集体中水分子数目较多。对于特殊结构的表面活性剂分子，“Gemini”型表面活性剂的临界胶束浓度值较小，所形成的胶束聚集体最大，聚集体最紧凑；“Bola”型表面活性剂的临界胶束浓度值最大，最难聚集，所形成的胶束聚集体最小。
　　 (2)采用耗散颗粒动力学模拟方法研究了表面活性剂的分子结构对其在水溶液中自组装形成囊泡的影响。通过分析表面活性剂在水溶液中自组装形成的囊泡结构图，考察了表面活性剂的分子结构对其在水溶液中自组装形成囊泡所需浓度、时间以及囊泡内层空间大小的影响。实验结果表明，对于直链表面活性剂，当亲水基团相同时，随着疏水链的增长，其开始形成囊泡所需浓度降低、达到稳定所需模拟时间减短，囊泡的内层空间较小；当疏水基团相同时，随着亲水基团链长的增加，其开始形成囊泡所需浓度升高，达到稳定所需模拟时间增加，囊泡内层空间增大；若亲水作用较强时，溶液中只有预胶束和胶束聚集体，未形成囊泡。与直链表面活性剂相比，疏水链分支促进表面活性剂分子自组装形成囊泡，形成囊泡所需浓度降低，囊泡达到稳定所需时间缩短，但是其内层空间较小；亲水链分支抑制表面活性剂自组装形成囊泡，甚至溶液中未出现囊泡。对于特殊结构的表面活性剂分子，“Gemini”型表面活性剂较容易形成囊泡，形成囊泡所需浓度较低，囊泡达到稳定所需时间较短，其内层空间较大；而“Bola”型表面活性剂无法形成囊泡。
　　 (3)采用耗散颗粒动力学模拟方法研究了表面活性剂和聚合物链的亲水疏水特性对表面活性剂和聚合物之间相互作用的影响。主要通过分析表面活性剂和聚合物相互作用所形成的聚集体结构图，对比其平均末端距和密度峰值等参数变化，得到表面活性剂和聚合物链亲水疏水特性对表面活性剂和聚合物之间相互作用的影响情况。实验结果表明，当聚合物与表面活性剂尾基相互吸引时，聚合物链“增容”在聚集体内；当聚合物与表面活性剂头基相互吸引时，聚合物链包裹在聚集体表面上。无论聚合物与表面活性剂的头基还是尾基相互吸引，随着亲水基团的增加、疏水基团的减少，聚合物链的平均末端距降低、密度峰值增加即聚合物链更加弯曲。但是，当聚合物与表面活性剂尾基相互吸引时，聚合物链更加弯曲且其密度峰值较大。而聚合物的加入使得表面活性剂分子更加有序，链更伸展。此外，聚集体的抗剪切能力随着亲水基团的增加而增强，随着疏水基团的减少而减弱，当聚合物与表面活性剂尾基相互吸引时，抗剪切能力稍强。