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从不相容的水油体系到微乳液的超低界面张力
来源:东南科仪    发布时间:2021-01-14    阅读:32次
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在工业应用中,如提高石油采收率(EOR)、药剂学或化妆品中,往往需要在水介质中调动和运输疏水物质。理想的方法是形成微乳液,如热力学稳定的分散体系。当试图合成这种混合物时,水与疏水相之间的界面张力(IFT)值范围可从原料的50 mN/m到成功制备微乳液低至105 mN/m。 为了寻找正确的成分,使用一种涵盖较宽范围IFT数值的测量仪器是有帮助的。

 

在这篇应用报告中,我们首先展示使用旋转滴界面张力仪-SDT来测量一个令人印象深刻的宽范围IFT值,从一个简单的体系开始,该体系由水相、油相(环己烷)和增溶物(叔丁醇)组成。从50 mN/m0.1 mN/m范围内的测试值与用力学法表面张力K20公布的数据吻合,且显示出好的重现性。测试延伸到超低界面张力值的组成体系,我们的仪器一样能给出令人信服的数据到小数点后6个数量级,比如降低到2.7×105 mN/m

 

背景

使用旋转滴界面张力仪-SDT测量界面张力

旋转滴界面张力仪SDT是通过一滴轻相在重相环绕中的光学图像分析得到的液-液界面张力值。由于离心力,液滴相在填充的、旋转的毛细管中被拉长,而界面张力使液滴保持圆形,离心力和界面张力相互抵消。因此,界面张力值可基于Young-Laplace方程的液滴形状曲率或通过计算Vonnegut方程的液滴直径分析得到。

 

作为一种先进的仪器,SDT具有一些独特的优点,诸如:它的专利毛细管填充方式、液滴相自动发射功能、ADVANCE软件带来的高度自动化、具有标准尺寸的锥形精确图像效准、以及用于精确液滴轮廓检测的闪光灯照明等。

 

 

增溶物对水油界面张力值的影响

增溶物是一种两性小分子,通过增加疏水物质在水中的溶解度,来起到助溶剂的作用。增溶物倾向于降低水和油相之间的界面张力,但与表面活性剂不同,它们在水中不会形成稳定的胶束,是因为它们分子中的疏水部分太小。它们通常用于增加微乳液的稳定性。一个典型的例子是叔丁醇。

 

实验部分

我们以一个由双蒸馏水为重相,环己烷为轻相,不同比例叔丁醇组成的简单体系为研究对象。所有化学品均未进一步纯化直接使用。根据文献制备样品混合物,各相之间先预先进行了饱和。用力学法表面张力仪-K20得到的密度和界面张力数据源于同一文献,并可作为支撑信息的一部分。样品组成和文献数据见表1

 

界面张力测试使用旋转滴界面张力仪-SDT。温度由与仪器相连的循环水浴控制,设定在20 °C

 

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结果

1显示了测试样品中最高界面张力值(A,样品1)和最低界面张力值(B,样品7)的典型液滴图像。

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1: 样品1和样品7的典型液滴图像。旋转速度分别是120006000 rpm。液滴形状通过Young-Laplace方程拟合。

 

2列出了所有测试样品的界面张力值,以及使用力学法表面张力仪K20测量的文献数据。此外,图2是标准化的SDTK20界面张力值对TBA在水中的摩尔比例作图比较。两种方法得到的数据很好地一致,而特别在低界面张力值时,SDT测量的标准差远低于K20测量的标准差。实际上,K20Wilhelmy板法准确性误差0.3 mN/m是测量的界面张力值3倍,这就是为什么对于低界面张力值,旋转滴法比力学法更推荐使用。

 

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2: 样品混合物通过SDT(本报告)得到的界面张力值和标准偏差 (N=3-4) K20的数据(Wilhelmy板法,文献[1])。参考文献[1] 中板法准确性误差是0.3 mN/m

 

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2:界面张力标准差值对TBA在水中的摩尔比例作图(IFT divided by IFT of water vs. CHX without TBA = IFT0)。旋转滴测试数据 (浅蓝) K20数据 (深蓝,[1]) 重叠很好,特别在低界面张力值时,SDT测量的标准差远低于K20测量的标准差。

 

为了证明该仪器在测定超低界面张力值的潜力,我们制备了水、氯化钠、正庚烷和表面活性剂AOT(二辛基磺琥珀酸钠)的混合物。这种混合物的界面张力值在10-5 mN/m范围。所有化学物在室温下磁性搅拌18小时,充分混合。混合物装入分液漏斗中。分离成三相大约需要4小时。

 

微乳液的中间相用于液滴相,使用底层水溶液相作为重相在25 °C下进行SDT测试。图3展示了界面张力值为2.7×105mN/m时的典型液滴图像。

 

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3: 微乳液滴在环绕重相water-NaCl-n-heptane-AOT体系中的典型图像。旋转速度分别是1400 rpm。液滴形状通过Vonnegut方程拟合

 

结论

-液界面张力的测量和控制对于工业处理乳化液,尤其是微乳液有着重要意义。我们使用旋转滴界面张力仪-SDT记录了一个简单的水相、油相和助溶液体系的界面张力数据。结果与文献数据非常匹配,同时显示出更小的不确定性。对于另一个微乳液体系,测量了一个105 mN/m范围界面张力值,强调了SDT适用于更宽范围的IFT值。这个超广范围的界面张力测试试验的成功,结合用户友好的操作方式,以及先进的技术特点来得到精确的结果,使使得旋转滴界面张力仪-SDT成为测量超低界面张力时的首选仪器。