Tween20/40的CMC测定及NaCl的影响

王新红，戴兢陶

(盐城师范学院化学化工学院，江苏 盐城 224051)

表面活性剂是一类用途广泛的有机化合物，它在物料中有消泡、起泡、乳化、增溶和催化等多种作用，常用于洗涤、染色、纤维加工、电镀和浮选等多方面[1-4]。表面活性剂中添加适量的无机盐，可以改变表面活性剂的黏度，使其临界胶束浓度与表面张力发生变化，从而提高表面活性剂的表面活性。其中非离子表面活性剂在水中不发生电离，是以羟基(—OH)或醚键为亲水基的分子结构。正是由于在水中不电离的特点，决定了它在某些方面较离子型表面活性剂优越，如在水中和有机溶剂中都有较好的溶解性，在溶液中稳定性高，不易受强电解质无机盐和酸、碱的影响。由于它与其它类型表面活性剂相容性好，常可以很好地混合复配使用，因此在很多领域中都有重要用途。

测定表面活性剂CMC 的方法已有30多种[5-9]，如电导法、染料法、增溶作用法、表面张力法和NMR 方法等。紫外吸收分光光谱也是确定表面活性剂CMC 值的一种简单、准确的有效方法，可测定多种表面活性剂的CMC值。该方法的关键是寻找一种理想的光度探针,其λmax对表面活性剂聚集体微环境下的性质很敏感，其敏感性越强，对CMC的测定越可靠。

本研究利用紫外吸收分光光谱仪在碘溶液存在的情况下测定了非离子表面活性剂Tween20[聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯]和Tween40[聚氧乙烯(40)山梨醇酐单棕榈酸酯]的CMC，并用黏度法研究了无机盐NaCl对其CMC值的影响。

1　试验部分

1.1　试剂与仪器

聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯(Tween20)：化学纯，国药集团化学试剂有限公司产品；聚氧乙烯(40)山梨醇酐单棕榈酸酯(Tween40)：化学纯，国药集团化学试剂有限公司产品；氯化钠(NaCl)：化学纯；碘：化学纯；水：去离子水。

ZC-18Q超级恒温水槽(±0.1 ℃)(宁波天恒仪器厂)；JA1203N电子天平(上海精密科学仪器有限公司)；乌式黏度计；紫外分光光度计specord 50(安捷伦科技有限公司)。

1.2　试验方法

1.2.1紫外吸收光谱法以I2作为显色剂测定Tween20(Tween40)的CMC值

在一系列的25 mL容量瓶中各加入15 mL饱和碘溶液，并在每个容量瓶中加入不等量的Tween20(Tween40)溶液，均用蒸馏水定容至25 mL。测定不同浓度的Tween20(Tween40)溶液的紫外吸收光谱。

1.2.2黏度法测定CMC值

配置一系列Tween20溶液(Tween40溶液)，控制试验温度为25 ℃。使用乌式黏度计测量溶液的流出时间，每一样品重复3次，取3次平均值作为最终的流出时间t1，测另一样品溶液前应洗净并吹干黏度计。测定溶剂的流出时间t0。

分别在0.01、0.10和1.00 mol/L的NaCl溶液存在下配置一系列不同黏度的Tween20(Tween40)溶液，同上法测定溶剂、溶液的流出时间，测定CMC值和NaCl对其的影响。

2　结果与讨论

2.1　碘溶液存在时Tween20/40溶液的CMC值测定

图1是以碘为显色剂，Tween20溶液吸光度与浓度的关系图。

图1　298 K时Tween20溶液的吸光度和浓度的关系图Fig.1　Relationship of absorbance and concentration of Tween20 solution at 298 K

由图1可以看出，298 K时，当体系中碘单质浓度为85.97×10-5mol/L时，随着Tween20的浓度增大，吸光度呈增大趋势。发现当Tween20的浓度增大为5.19×10-5mol/L时吸光度增加的幅度明显变大，而此浓度即为Tween20溶液的临界胶束浓度(CMC)。在非离子表面活性剂Tween20体系中碘最大吸收波长(λmax)在459 nm处发生了蓝移，由文献[8]可知，荧光法也同时显示发生了蓝移。蓝移的发生是因为表面活性剂表面的PEO链中的醚氧基团给I2的σ*轨道提供了电子，从而形成了表面活性剂-碘复合物。碘溶液在Tween20溶液中的350～500 nm处的吸收波长如图2所示。

图2　298 K时Tween20溶液的吸收光谱Fig.2　Absorption spectrum of Tween20 solution at 298 K

随着Tween20溶液的浓度不断增大，I2在459 nm处的峰迅速的蓝移且吸光度逐渐增大。最大吸收波长随着浓度的增加而在Tween20溶液的临界胶束浓度后急剧下降。以波长对Tween20浓度作函数关系图，对该函数进行一次微分后再作图，便可迅速且准确地找出Tween20溶液的CMC。结果如图3所示。

图3　298 K时Tween20溶液最大吸收波长和浓度的关系及微分关系Fig.3　Relationship of absorption of wavelength and concentration of Tween20 solution at 298 K

298 K时，碘溶液存在于Tween40溶液中也是与Tween20溶液相类似的，由上述方法也可找出Tween40溶液的CMC。

比较Tween20和Tween40的试验结果，波长对浓度一次微商后，298 K时Tween20溶液和Tween40溶液的最高或最低峰所对应的浓度分别为5.25×10-5mol/L和1.90×10-5mol/L。这些浓度可近似等于各自的CMC。由紫外吸收光谱法测得的非离子表面活性剂的CMC列于表1中。

表1　紫外光谱法测定的Tween20/40的CMCTable 1　CMC values of Tween20/40 determined by ultraviolet spectrum method

结果表明本研究所示方法测得的数据与参考文献[8]的数据很接近。

2.2　NaCl 对Tween20/40的CMC值及黏度的影响

298 K时,由试验测定了有盐和无盐时Tween20水溶液的黏度，如图4所示。

图4　298 K时，Tween20溶液在不同浓度NaCl溶液中相对黏度和浓度的关系Fig.4　Relationsship of relative viscosity and concen-tration of Tween20 solution at 298 K with NaCl

当无盐存在时，Tween20水溶液的相对黏度随着Tween20的浓度增大基本呈现增大趋势，但是存在明显的突变点。小于突变点浓度时,体系中的表面活性剂分子呈现单体状态，随着单体数目增大，相对黏度增大。在突变点之后，体系形成了胶束状态，随着表面活性剂浓度的增大，相对黏度呈现较缓慢的增加，这表明体系的胶束尺寸基本保持不变。突变点对应的浓度即为黏度法测定的CMC值为5.00×10-5mol/L。

随着盐浓度的增大，表面活性剂浓度相同时，体系的相对黏度逐渐下降。在低表面活性剂浓度时，相对黏度逐渐增大，在高表面活性剂浓度时，相对黏度基本保持不变，但随着盐浓度的增大，有微弱的下降趋势。这主要是由于非离子表面活性剂以聚氧乙烯链(PEO)为亲水基,在水中不会电离出离子,但是PEO的醚键氧原子(─O─)与水分子缔合形成的氢键不稳定，当加入一定量的盐离子时，盐离子的作用可能使氢键断裂而形成尺寸较小的胶束，因此体系的相对黏度有微弱下降[9-10]。但无机盐NaCl对表面活性剂的CMC值无影响。

同法测定了Tween40水溶液的盐效应。据曲线上的突变点求得表面活性剂的CMC为1.93×10-5mol/L。

3　结论

以碘为显色剂采用紫外分光光度法研究了Tween20、Tween40的临界胶束浓度(CMC)，分别为5.19×10-5mol/L和1.90×10-5mol/L。该数据与文献值基本一致，说明此法是比较方便可靠的一种测定方法。由黏度法测定Tween20和Tween40水溶液的相对黏度，求的CMC值分别为5.00×10-5mol/L和1.93×10-5mol/L。而无机盐NaCl对Tween20、Tween40水溶液的相对黏度有明显影响，但是对CMC值无影响。

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