烷基糖苷表面活性剂及其复配体系流变行为研究

尚小琴， 伍　密， 武伦福， 陈浩亮， 王信锐，彭标文

(1.广州大学 化学化工学院, 广东 广州　510006； 2.广州市生产力促进中心, 广东 广州　510400)



烷基糖苷表面活性剂及其复配体系流变行为研究

尚小琴1， 伍密1， 武伦福2， 陈浩亮1， 王信锐1，彭标文1

(1.广州大学 化学化工学院, 广东 广州510006； 2.广州市生产力促进中心, 广东 广州510400)

以实验室自制的烷基糖苷(APG)为主要研究对象，考察溶液浓度、盐度以及复配体系中聚乙二醇(PEG)浓度对烷基糖苷溶液和复配体系溶液粘度以及流变性能的影响.实验结果表明，不同浓度烷基糖苷溶液呈现出不同的流变学特征，溶液浓度≥9%时，溶液由牛顿流体向非牛顿流体转变；盐浓度对烷基糖苷溶液影响显著，NaCl浓度≥1%时，APG溶液由非牛顿性流体向牛顿流体转变；聚乙二醇与烷基糖苷复配后体系溶液的流变性能发生改变，聚乙二醇浓度较低时，复配体系为牛顿流体；聚乙二醇浓度较高时，复配体系呈现非牛顿流体特征.

烷基糖苷； 流变行为； 粘度； 复配体系

表面活性剂是一种加入少量就能显著改变溶液物理、化学性质的物质，被形象地称为“工业味精”[1-3].根据不同条件，表面活性剂在溶液中能形成各种聚集形态，这种聚集体的流变性与其微观结构以及内部基团间的相互作用有直接关系.因而，流变性质已成为影响表面活性剂应用的重要参数[4-6].

烷基糖苷(APG)是一种以天然可再生资源为原料制得的绿色环保型非离子表面活性剂.由于其良好的生物降解性、优良的复配性以及对皮肤温和无刺激等性能，在日用化工、采油、医药等领域展现出广阔的前景[7-8].烷基糖苷胶束聚集形态有球状结构和圆柱状结构，在提高浓度或添加助剂等条件下可演变为蠕虫状、囊泡状和层状等结构，蠕虫状胶束具有粘弹性，兼有增稠和较强清洗力等特点[10-11].本文以实验室自制的烷基糖苷为主要研究对象，考察溶液浓度、盐度以及复配体系中聚乙二醇浓度对烷基糖苷溶液和复配体系溶液粘度以及流变性能的影响，为烷基糖苷类表面活性剂的应用提供实验数据.

1　实验部分

1.1主要原料与仪器

无水葡萄糖，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；正十二醇，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸钠、氯化钠、聚乙二醇，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；烷基糖苷，自制.

集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S，巩义予华仪器有限公司；精密电子天平，JJ-500型，美国双杰兄弟集团有限公司；可编程控制式流变仪，Brookfield DV-Ⅲ+，上海人和科学仪器有限公司.

1.2烷基糖苷溶液的配制

将烷基糖苷(APG)样品配制成不同浓度的溶液，并将配制的12%的APG溶液与不同浓度的NaCl溶液混合得到不同盐度的APG溶液，再将12%的APG溶液与不同浓度的聚乙二醇混合,得到不同浓度的APG/PEG复配体系,将上述溶液放置24 h后备用.

1.3烷基糖苷流变性的测定

利用Brookfield DV-Ⅲ+可编程控制式流变仪测定所配溶液的粘度，RV型转子转速范围为0～250 RPM，每个5 s记录一次数据，测试温度为29.0 ℃.

2　结果与讨论

2.1不同浓度烷基糖苷表面活性剂溶液的流变特性

不同浓度APG溶液的流变曲线和固定剪切速率(51.4 s-1)下浓度与粘度的关系见图1和图2.由图1可知，随着剪切速率的增加，高浓度APG溶液的粘度明显减小，呈现剪切变稀特性，由此可知APG浓度≥9%时表现出非牛顿流体特性，属于非牛顿流体；而浓度为8%时APG溶液粘度随剪切速率的变化不显著，表现出牛顿流体的特性.由图2可知，APG溶液粘度随着浓度的增大而增大，当浓度为15.5%时出现最大值，随后则逐渐减小.这是由于APG溶液相态发生变化而导致，当溶液浓度较低时APG溶液为单个游离胶束，随着浓度增加逐步形成球形胶束，继而形成蠕虫状胶束，浓度继续增加，蠕虫状胶束相互缠绕形成空间的网状结构，最后逐步趋于层状胶束，因此APG溶液的粘度出现了先增加后减小的现象.

图1　不同浓度APG溶液剪切速率与粘度的关系

Fig.1The relationship between APG viscosity and shear rate in different APG concentration

图2　APG溶液浓度与粘度的关系

Fig.2The relationship between viscosity and concentration of the APG

2.2烷基糖苷表面活性剂溶液的稳态剪切

固定APG溶液浓度为12%，考察不同转速下粘度随剪切时间的变化规律，实验结果见图3.由图3可知，在剪切速率较低时，溶液粘度高且呈现缓慢减小的趋势，这是由于高浓度时溶液为蠕虫状胶束，受剪后相互缠绕而形成局部网络结构，阻碍了溶液的流动；而当剪切速率较高时，溶液蠕虫状胶束断裂成为片段或者转变为棒状胶束，体系粘度较小，并且与时间无关，因此溶液的粘度趋于稳定.

图3　APG溶液在不同转速下的时间与粘度的关系

Fig.3The relationship between APG viscosity and time in different rotate speeds

2.3盐度对烷基糖苷表面活性剂溶液流变行为的影响

固定APG溶液浓度为12%，NaCl浓度对烷基糖苷溶液流变性能的影响以及浓度与粘度的关系见图4和图5.由图4可知，当NaCl浓度<1% 时，APG溶液粘度均随着剪切速率的增加而减小，呈现剪切变稀特征，为非牛顿性流体；但当NaCl浓度>1%时，APG溶液粘度随剪切速率的增大呈现稳定趋势，APG溶液为牛顿流体.由图5可知，随着NaCl浓度的增加，APG溶液粘度快速增加，当NaCl浓度为0.25%时,出现最大值，随后急剧减小，当NaCl浓度为1.5%时，粘度很小且趋于稳定.这是因为NaCl的加入使APG溶液胶团的聚集数增大，逐步形成网状结构，故APG溶液粘度出现最大值；但当NaCl浓度过大时，NaCl分子将夺取部分胶团中的水分子以形成水合离子，使得APG溶液胶团进一步长大而分相，导致体系粘度和透明度降低.

图4　不同NaCl浓度下APG溶液剪切速率与粘度的关系

Fig.4The relationship between APG viscosity and shear rate in different NaCl concentration

图5　NaCl浓度与APG溶液粘度的关系

Fig.5The relationship between APG viscosity and NaCl concentration

2.4聚乙二醇对烷基糖苷表面活性剂溶液流变行为的影响

不同浓度聚乙二醇对烷基糖苷溶液流变行为的影响见图6.由图6可知，聚乙二醇浓度较低时，APG/PEG复合体系粘度降低明显，并且粘度随剪切率的变化不明显，近似于牛顿流体；而随着聚乙二醇浓度的增大，复合体系粘度降低的幅度减小，且呈现剪切变稀现象，表现出非牛顿流体的特征.由于烷基糖苷表面活性剂能和聚乙二醇的疏水基团形成混合胶束，当聚乙二醇浓度较低时，其疏水基团少，形成的混合胶束可能处于游离胶束状态，所以体系的粘度较低；但随着聚乙二醇浓度的增加，其疏水基团增多，混合体系形成的混合胶束逐渐形成空间网络结构，导致体系粘度增大.

图6不同聚乙二醇浓度APG/PEG溶液剪切速率与粘度的关系

Fig.6The relationship between APG/PEG viscosity and shear rate in different PEG concentration

3　结　论

(1)不同浓度烷基糖苷(APG)溶液呈现出不同的流变学特征.溶液浓度≥9%时表现出非牛顿流体特性，属于非牛顿流体；浓度为8%时APG溶液粘度随剪切速率的变化不显著，表现出牛顿流体特性, 属于牛顿流体；剪切速率较低时，溶液粘度高且呈现缓慢减小的趋势，而当剪切速率较高时，溶液粘度趋于稳定.

(2)盐浓度对烷基糖苷溶液(APG)影响显著.NaCl浓度<1% 时，APG溶液的粘度随着剪切速率的增加而减小，呈现剪切变稀特征，为非牛顿性流体；NaCl浓度>1%时，APG溶液的粘度随剪切速率的增大呈现稳定趋势，为牛顿流体.

(3)聚乙二醇与烷基糖苷复配后体系的流变性能发生变化.聚乙二醇浓度较低时，APG/PEG复合体系粘度降低明显，并且粘度随剪切速率的变化不明显，近似于牛顿流体；而随着聚乙二醇浓度的增大，复合体系粘度降低的幅度趋小，且呈现剪切变稀现象，表现出非牛顿流体的特征.

[1]林璟, 郑成, 黄武欢, 等. 双酯基型有机硅季铵盐表面活性剂性能研究[J]. 广州大学学报: 自然科学版, 2014,13(4):43-46.

LIN J, ZHENG C, HUANG W H. et al. Study on the properties of organosilicon esterquats surfactant[J]. J Guangzhou Univ: Nat Sci Edi, 2014,13(4):43-46

[2]CRAIG A H, ROBERT K P H. Structure and flow in surfactant solutions[J]. ACS Symposium Seris,1994,578:45-49．

[3]KUPERKAR K,ABEZGAUZ L,DANINO D, et al．Viscoelastic micellar water /CTAB/NaNO3solutions: Rheology，SANS and cryo-TEM analysis[J].J Colloid Interface Sci,2008,323:403-409．

[4]BALZER D. Aqueous viscoelastic surfactant solutions for hair and skin cleaning: US,5965502[P].1999-10-12．

[5]方波, 邹春昱, 何良好, 等. 阳离子Gemini表面活性剂18-3-18/水杨酸钠胶束体系流变和减阻性能研究[J]. 高校化学工程学报，2013,27(1):18-23.

FANG B, ZOU C Y, HE L H, et al. Rheologic and drag-reduction properties of cationic gemini surfactant/sodium salicylate micelle systems[J]. J Chem Eng Chin Univ, 2013,27(1):18-23.

[6]曹绪龙, 李静, 杨勇, 等.表面活性剂对驱油聚合物界面剪切流变性质的影响[J]. 物理化学学报, 2014,30(5):908-916.

CAO X L, LI J, YANG Y, et al. Effects of surfactants on interfacial shear rheological properties of polymers for enhanced oil recovery[J]. Acta Phys-Chim Sin, 2014,30(5):908-916.

[7]韦星船, 刘晓国, 吴晓彬. 环保餐具洗涤剂的研制[J]. 广州大学学报: 自然科学版, 2008,7(1):62-66.

WEI X C, LIU X G, WU X B. Development of environment-friendly dish washing detergent[J]. J Guangzhou Univ: Nat Sci Edi, 2008,7(1):62-66.

[8]邓加林, 尚小琴, 刘汝锋, 等. 木薯淀粉基十二烷基糖苷的制备及其表面性能[J]. 化工进展, 2014,33(7):1880-1883.

DENG J L, SHANG X Q, LIU R F, et al. Preparation and surface properties of cassava starch-based dodecylycoside[J]. Chem Ind Eng Prog, 2014,33(7):1880-1883.

[9]尚会建,段晓娜,李慧, 等. 烷基糖苷研究现状及展望[J]. 现代化工, 2013,33(11):28-30,32.

SHANG H J, DUAN X N, LI H, et al. Research status and prospects of alkyl polyglycoside[J]. Mod Chem Ind, 2013,33(11):28-30,32.

[10]李钦,陈馥. 黏弹性表面活性剂及其在油田中的应用[J].日用化学工业, 2004,34(3):173-175.

LI Q, CHEN F. Visco-elastic surfactant and its applications in oil field operation[J]. China Surfactants Deterg Cosm, 2004,34(3):173-175.

[11]赵莉,谭婷婷,徐宝财. 表面活性剂的性能与应用(Ⅷ)——表面活性剂的蠕虫状胶束及其应用[J]. 日用化学工业, 2014,44(8):426-431.

ZHAO L, TAN T T, XU B C. Performance and applications of surfactants (Ⅷ): Surfactant wormlike micelles and their applications[J]. China Surfactants Deterg Cosm, 2014,44(8):426-431.

【责任编辑： 孙向荣】

Rheological properties of alkyl polyglucosides surfactant and its complex systems

SHANG Xiao-qin1, WU Mi1, WU Lun-fu2, Chen Hao-liang1, WANG Xin-rui1, PENG Biao-wen1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China2. The Productivity Promotion Center of Guangzhou, Guangzhou 510400, China)

This paper aims to study the effects of alkyl polyglucosides (APG) aqueous solution concentration, sodium chloride and polyethylene glycol on the rheological properties of APG and its complex systems. The results show that different rheological characteristics are found in different concentrations of APG solution. APG is non-Newtonian fluid when the concentration is≥9%, and APG is Newtonian fluid when the concentration is 8%. The effect of salt concentration on APG rheological properties is significant. The solution shifts from non-Newtonian fluid to Newtonian fluid when the NaCl concentration is ≥1%. The rheological behavior of polyethylene glycol and APG complex system is changed. The complex system is Newtonian fluid when polyethylene glycol concentration was low, and the complex system is non-Newtonian fluid when polyethylene glycol concentration is high.

the alkyl polyglucosides; rheological properties; viscosity; complex systems

2016-05-22;

2016-05-25

广东省科技计划资助项目(2016A01010344)；广州市科技计划资助项目(2013J4300043);国家级、广东省级大学生创业训练资助项目(201611078108，201511078002，201611078035)

尚小琴(1962-)，女，教授，博士. E-mail: hushanren@163.com

1671- 4229(2016)04-0029-04

TQ 423

A