表面活性剂在固液界面及限制空间中的吸附和聚集行为的分子模拟研究

摘要

表面活性剂是一类具有表面活性的化合物，溶于液体（特别是水）后，能显著降低溶液的表面张力或界面张力，并能改进溶液的增溶、乳化、分散、渗透、润湿、发泡和洗净等能力，因而广泛应用于纺织、食品、医药、农药、化妆品、建筑、采矿等工业领域。表面活性剂的独特性能与它的特殊结构是分不开的。一个表面活性剂分子通常包含性质不同的两部分，一部分亲水一部分亲油。因此在溶液中或界面上容易自组装成介观尺度下的有序结构（如层状、膜和液晶态等），从而体现出相应的独特宏观行为。正是这种介观尺度下的聚集态直接影响了表面活性剂的性能。表面活性剂的性质和功能都取决于自组装过程。目前，表面活性剂自组装是生物制品和各种功能材料制备的重要手段。因此，表面活性剂自组装特性和聚集体结构的研究已成为当前的研究热点。 本论文采用晶格蒙特卡罗（Lattice Monte Carlo，LMC）模拟方法研究了表面活性剂在固液界面上及限制空间中的聚集性质，并对其聚集过程进行了探讨。从介观尺度上揭示表面活性剂在界面上及限制空间中的聚集行为，为理论研究和实际应用提供重要依据。论文的主要工作如下： 1．采用LMC方法模拟研究了表面活性剂在固液界面（疏水表面）上的吸附形貌及形貌转变，重点考察吸附作用能、表面活性剂头基与水之间的相互作用（表面活性剂头的溶解度）、表面活性剂尾基与水及表面活性剂结构的影响，并给出了不同表面活性剂随吸附作用能和表面活性剂头基的溶解度变化的相图。模拟结果除了发现实验报道的半球状胶束和单层这两种聚集形貌外，还发现了另外四种聚集形貌，分别为非稳定胶束，半球——半柱形混合胶束，蠕虫状半柱形胶束和带孔单层。表面吸附作用能和表面活性剂头基与水之间的相互作用不仅影响表面活性剂在表面上的聚集形貌还影响表面吸附量的大小。表面吸附作用能越大，表面活性剂越倾向于形成曲率较低的表面聚集形貌，并且表面吸附量越大。与此相反，表面活性剂头基与水之间的吸引作用越强，表面活性剂越倾向于形成曲率较高的表面聚集形貌，并且表面吸附量越小。 2．采用LMC方法研究表面活性剂溶液在限制空间内的吸附和聚集行为，包括由两个相同的平行疏水固体表面组成的狭缝孔和由固体粒子组成随机孔。 首先考察了孔宽和表面活性剂浓度对狭缝孔中表面活性剂溶液的聚集形貌的影响，并给出不同表面活性剂聚集形貌随孔宽和浓度变化的相图。模拟结果表明，从表面单层结构到双层结构的转变过程中存在一中间态——桥形结构，并且它的存在依赖于转变路径及表面活性剂分子结构。该结构的存在可能是相距较远的两个表面间长程疏水吸引作用的一种来源。 然后研究了随机孔中表面活性剂溶液的聚集性质，尤其是固体粒子（拥挤分子）对表面活性剂溶液的临界胶束浓度（CMC）的影响。主要考察固体粒子的排列方式，包括规则排列和随机排列两种方式以及固体粒子的体积分数对受限表面活性剂CMC的影响。模拟结果表明，固体粒子的存在使受限表面活性剂的CMC偏离其体相值。总体而言，因拥挤而产生的两种因素决定其偏离程度的大小，一种是由表面活性剂与固体粒子间的体积排斥效应引起的排空效应（depletion effect），另一种是胶束形成的可达体积（the available volume for micelle formation）。排空效应不可避免地导致表面活性剂在远离固体粒子的区域富集，从而导致CMC的减小。另一方面，固体粒子的存在会减小胶束形成的可达体积，这将减小体系的构象熵，阻止胶束的形成，从而导致CMC升高。正是这两种因素的竞争决定着受限表面活性剂的CMC的偏离程度。 3．结合LMC和标准盒子（Gauge Cell）方法研究表面活性剂溶液在亲水表面上的吸附和相行为，考察了温度、吸附作用能以及表面活性剂分子结构的影响。模拟结果表明，不同体系存在两种不同的相分离方式，即宏观相分离和微观相分离。对于发生宏观相分离的体系，有两种不同的动力学机制，在相分离区域遵从成核生长机理。该体系存在临界温度和临界吸附作用能。在临界温度以下或临界吸附作用能以上，体系发生宏观相分离，微量吸附相和双层相两相共存，吸附等温线明显有一回滞环，这是一级相变的特征表现。对于发生微观相分离的体系，在对数坐标系里的吸附等温线分为四个区，分别为微量吸附区，半胶束区，结构转变区和平台区，这与实验结果一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2表面活性剂简单介绍

1.2.1表面活性剂的特点和性质

1.2.2表面活性剂的类型

1.2.3表面活性剂的应用

1.3表面活性剂的胶束化

1.3.1表面活性剂在溶液中的胶束结构

1.3.2表面活性剂在界面处的胶束化

1.4限制空间内表面活性剂溶液

1.4.1狭缝孔中表面活性剂溶液

1.4.2随机孔中表面活性剂溶液

1.5表面活性剂相行为和相转变

1.5.1表面活性剂相行为

1.5.2表面活性剂相转变

1.6本章小结

参考文献

第二章模型和方法

2.1引言

2.2正则系综MC

2.2.1 MC方法

2.2.2正则系综

2.3晶格模型

2.3.1方晶格模型

2.3.2 Larson晶格模型

2.4标准盒子方法

参考文献

第三章 表面活性剂在固体(疏水)表面上的聚集形貌

3.1引言

3.2模型和方法

3.3结果和讨论

3.3.1等效相互作用参数(交换相互作用参数)

3.3.2确定表面活性剂聚集形貌

3.3.3交换参数XTS和交换参数XHW的相图

3.4讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章 限制在狭缝孔中表面活性剂溶液聚集形貌

4.1引言

4.2模型和方法

4.3结果和讨论

4.3.1孔宽的影响

4.3.2表面活性剂浓度的影响

4.3.3不同表面活性剂的相图

4.4本章小结

参考文献

第五章随机孔中表面活性剂溶液的聚集行为

5.1引言

5.2模型和方法

5.3结果和讨论

5.3.1固体粒子的规则排列

5.3.2固体粒子的随机排列

5.3.3固体粒子的体积分数的影响

5.4本章小结

参考文献

第六章表面活性剂界面体系的相行为

6.1引言

6.2模型和方法

6.3结果和讨论

6.3.1表面相变

6.3.2单相区的微观相分离

6.4本章小结

参考文献

总结论

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

作者简介