含聚醚基团阴离子表面活性剂对PMMA表面润湿性的影响

2024-07-20 00:00:00赵濉陈兴锋张磊严峰张路
天津工业大学学报 2024年3期
关键词:润湿性表面张力基团

摘" " 要: 为了探索同时具有聚氧异丙烯基团(PO)和聚氧乙烯基团(EO)的延展型表面活性剂分子在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面的润湿性调控机制,对5种具有PO基团和EO基团的阴离子延展型表面活性剂十八烷基-(聚氧异丙烯)m-(聚氧乙烯)n-羧酸钠(C18POmEOnCOONa,m = 5、10、15和n = 5、10、15)溶液在PMMA表面的润湿性进行测试分析,考察了PO基团、EO基团和表面活性剂浓度对表面张力(γLV)和接触角(θ)的影响,并计算黏附张力(γLV cos θ)、黏附功(WA)和固液界面张力(γSL)等吸附参数。结果表明:表面活性剂浓度小于临界胶束浓度(CMC)时,C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面吸附,导致γLV降低,疏水烷基链朝向水相,导致γSL升高,两者共同作用导致θ不发生变化,维持在约75°;浓度大于CMC时,C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气和PMMA-溶液界面同时达到饱和吸附,吸附参数趋于稳定;进一步增大浓度,C18POmEOnCOONa分子通过疏水相互作用在PMMA-溶液界面形成聚集体,亲水基团朝向水相,导致γSL迅速减小,θ急剧降低,C18PO5EO15C的θ可降低至约43°。随着PO基团数量的增加,C18POmEOnCOONa在CMC时的γLV和高浓度时的θ逐渐升高;而随着EO基团数量的增加,γLV和θ几乎不发生变化。

关键词: 延展型表面活性剂;润湿性;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);聚氧异丙稀基团(PO);聚氧乙烯基团(EO)

中图分类号: O647" " " " " 文献标志码: A" " " " " " " " 文章编号: 1671-024X(2024)03-0032-08

Effects of anionic surfactants containing polyether group on wettability of

polymethyl methacrylate surface

ZHAO Sui1, CHEN Xingfeng1,2, ZHANG Lei1, YAN Feng3, ZHANG Lu1

(1. Key Laboratory of Photochemical Conversion and Optoelectronic Materials, Technical Institute of Physics and Chemistry of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China; 3. School of Chemistry, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

Abstract: In order to explore the wettability regulation mechanism of extendable surfactant molecules with both polyoxyiso-propyl(PO) and polyoxyethylene(EO) groups on the surface of polymethyl methacrylate(PMMA), the wettabil-ity of sodium octadecyl-(polyoxyisopropyl)m-(polyoxyethylene)n-carboxylate (C18POmEOnCOONa, m = 5, 10, 15, and n = 5, 10, 15) solutions of five anionic extendable surfactants with PO and EO groups on the surface of PMMA was tested and analyzed. The effects of PO groups, EO groups, and surfactant concentrations on surface tension(γLV) and contact angle(θ) were investigated and the adsorption parameters such as adhesion tension(γLV cos θ), adhesion work(WA), and solid-liquid interfacial tension (γSL) were calculated. The results show that when the concentration of surfactant is less than the critical micelle concentration (CMC), the C18POmEOnCOONa molecules adsorb at the solution-air interface and PMMA-solution interface, resulting in a decrease in γLV, hy-drophobic alkyl chains facing the aqueous phase, and an increase in γSL. The θ stays consistent at about 75° due to these two important considerations. When the concentration is greater than CMC, C18POmEOnCOONa molecules form saturated adsorption films at both the solution-air and PMMA-solution interface, the interface adsorption parameters remain constant. As the level of concentration keeps increasing, C18POmEOnCOONa molecules con-tinue adsorbing at the PMMA-solution interface and aggregate structure is formed through hydrophobic interac-tion. The hydrophilic group confronting the aqueous phase leads to a rapid decrease in γSL and θ, the θ of C18PO5EO15COONa can be reduced to roughly 43°. The γLV at CMC and the θ at high concentration gradually in-crease with the increase in the number of PO groups. However, the γLV and the θ barely alter when the number of EO groups increases.

Key words: extendable surfactant; wettability; polymethyl methacrylate(PMMA); polyoxyisopropyl group(PO); polyoxye-thylene group(EO)

润湿是固体与液体界面相互接触时产生的一种独特且重要的现象,在日常生活和工业生产中有着较为广泛的应用。例如去污洗涤[1]、农药喷洒[2-4]、浮选[5-6]、润滑和采油[7-8]等,均存在润湿现象。表面活性剂分子能通过在固体-溶液界面和溶液-空气界面的吸附来影响固体表面的润湿性[9],从而更好地对润湿现象加以应用。但表面活性剂溶液与固体表面之间的润湿机理因为涉及固体-溶液界面、固体-空气界面和溶液-空气界面而变得复杂[10-14]。利用杨式方程,可以通过溶液的表面张力和固体-溶液界面的接触角,计算得到黏附张力、黏附功等吸附参数,探索表面活性剂在固体表面的润湿吸附机理。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)固体表面因具有—CO、—OCH3和—CH3等官能团而表现为中性润湿的表面,不同类型的表面活性剂能通过氢键作用、极性相互作用或疏水相互作用等机制吸附在其表面上,从而改变固体表面的润湿性[15]。表面活性剂的类型、浓度和亲疏水官能团对PMMA表面的润湿改性有着较大影响。对于常规表面活性剂分子,如阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵CTAB[16]和十六烷基溴化吡啶CPyb[17]、阴离子表面活性剂月桂基硫酸钠SDS[18]和2-(4-氨基苯磺酰基)-5-氨基苯磺酰胺SDDS[11]、非离子表面活性剂辛基苯基聚氧乙烯醚(TX-100和TX-114[19-20])等在PMMA-溶液界面的吸附机理均已有较为全面的研究。研究发现:随着体相浓度的升高,表面活性剂分子在溶液-空气界面的吸附量明显大于固体-溶液界面;在PMMA固体表面,表面活性剂分子能通过疏水相互作用形成亲水基朝向溶液的吸附层,从而增强固体表面的亲水性,接触角从74°降低至53°。

相比于传统的表面活性剂,具有特殊结构的表面活性剂在PMMA固体表面的润湿性研究也得到了较多的关注。通过研究具有聚氧异丙烯基团(PO)的直链和支链延展型表面活性剂十二烷基-(聚氧异丙烯)4-硫酸钠(L-C12PO4S[21]和G-C12PO4S[22])在PMMA表面的润湿性,发现浓度大于CMC时,延展型表面活性剂分子容易在PMMA-溶液界面形成聚集体,使接触角进一步降低,且直链型的表面活性剂分子有较强的亲水改性能力,而支链型的表面活性剂分子有较强的疏水改性能力。对于具有EO基团的延展型表面活性剂分子十六烷基-(聚氧乙烯)n-羧酸钠(C16EnC)[23],研究其在PMMA表面的润湿性后发现,C16EnC分子通过极性相互作用吸附在PMMA-溶液界面并形成双层结构,以此来降低接触角。而具有EO基团的两性离子表面活性剂十六烷基-(聚氧乙烯)3-羟丙基羧酸甜菜碱(C16E3PB)[24]在低浓度时能通过氢键相互作用吸附在PMMA表面;在高浓度时,表面活性剂分子通过Lifshitz-van der Waals作用吸附并形成聚集体,大幅度降低接触角。

对于仅含有PO基团或者EO基团的延展型表面活性剂的研究逐渐增多,但对于同时含有PO基团和EO基团的延展型表面活性剂在PMMA表面润湿性的研究相对较少。本文主要研究了实验室合成的延展型表面活性剂十八烷基-(聚氧异丙烯)m-(聚氧乙烯)n-羧酸钠(C18POmEOnCOONa,m = 5、10、15和n = 5、10、15)在PMMA表面的润湿性。通过测试表面张力和接触角,计算得到黏附张力、黏附功和固液界面张力等吸附参数,综合分析并探索延展型表面活性剂分子在PMMA-溶液界面的吸附机理,以期为全面了解延展型表面活性剂中PO基团和EO基团对PMMA表面润湿性机理的影响提供依据。

1 实验部分

1.1 实验材料和设备

材料:PMMA,上海西格玛奥德里奇贸易有限公司产品;延展型表面活性剂饱和十八烷基-(聚氧异丙烯)m-(聚氧乙烯)n-羧酸钠(C18POmEOnCOONa,m = 5、10、15 和 n = 5、10、15),实验室自制[25]。分子结构为:

设备:DCAT21型表面张力仪,德国Dataphysics公司产品;LAUDA Scientific GmbH型接触角测量仪,德国SurfaceMeter Machine公司产品。

1.2 PMMA固体表面预处理

PMMA固体表面先经过机械抛光,用洗衣粉洗净,经大量水冲洗干净后烘干;再依次用蒸馏水、HCl溶液(1 ∶ 1)和超纯水清洗;最后在超纯水中超声清洗30 min后,用热风吹干固体表面,备用。

1.3 表面润湿性指标测试与计算

(1) 表面张力测定:在常压下,使用DCAT21型表面张力仪通过Wilhelmy平板法测试表面活性剂溶液的表面张力值。每次测量前将铂金片用超纯水清洗干净后在酒精火焰中灼烧,以彻底去除吸附在表面的杂质。所有浓度均连续测量3次,标准偏差不超过0.5 mN/m,实验温度t为(27±0.5) ℃。

(2) 接触角测定:采用LAUDA Scientific GmbH型接触角测量仪,通过座滴法使进样器的注射针头形成2 μL的表面活性剂液滴,再与操作台上洁净的PMMA表面接触,通过摄像机拍摄液滴形状,经过软件处理,可得到不同浓度表面活性剂溶液在PMMA固体表面上形成的接触角θ。当液滴在PMMA表面平衡60 s后,立即测量并记录液滴两侧的接触角。在同一固体表面的其它部位重复测量多次,测试结果为5次测量的平均值,接触角值的标准偏差lt; 2°。

(3) 黏附张力、界面张力:通过杨式方程可知,在光滑且均质的固体表面[26-27],固-液界面的黏附张力γLV cos θ与液-气界面的表面张力(γLV)呈线性关系:

γSV - γSL = γLV cos θ(1)

aγLV + b = γLV cos θ(2)

式中:γSV为PMMA表面自由能(39.5 mN/m[28]);γLV为溶液表面张力;γSL为PMMA-溶液界面张力值,可由式(1)计算获得;a和b为常数,其中a由固体表面的性质决定。

(4) 饱和吸附量、饱和吸附面积:表面活性剂分子在界面上的吸附行为是影响表面张力、界面张力和接触角的主要因素之一。基于杨式方程和Gibbs方程,Lucassen-Reynders提出了一个通过γLV cos θ和γLV分析表面活性剂分子在不同界面吸附行为的经验方程:

= (3)

= | a |(4)

式中:ΓSV、ΓSL和ΓLV分别为不同界面上的饱和吸附量;因为延展型表面活性剂分子在PMMA-空气界面没有吸附行为,所以ΓSV = 0;ΓSL可由γLV cos θ - γLV曲线斜率和ΓLV计算得到。通过对表面张力随浓度变化曲线中CMC前的线性部分进行拟合,可以得到延展型表面活性剂的ΓSL/ΓLV。最大饱和吸附量和最小饱和吸附面积Amin通常作为描述表面活性剂分子在界面上吸附行为的参数,可由吉布斯吸附公式计算:

?祝max = -(5)

Amin = × 1014(6)

式中:Γmax为最大饱和吸附量(mol/m2);Amin为最小饱和吸附面积(nm2);γ为表面张力(mN/m);C为表面活性剂浓度(mol/L);R为常数(8.314 J/mol/K);T为实验环境下的绝对温度(K);NA为阿伏伽德罗常数。

(5) 黏附功:黏附功是描述溶液从固体表面剥离难易程度的热力学参数,结合杨式方程,可以由γLV cos θ和γLV得到黏附功的计算方程:

WA = γSV - γSL + γLV = γLV(cos θ + 1)(7)

2 结果与讨论

2.1 在溶液-空气界面的吸附

表面张力是影响PMMA表面润湿性的一个重要因素。浓度对延展型表面活性剂C18POmEOnCOONa表面张力的影响如图1所示。

由图1可知,随着体相浓度的升高,γLV逐渐降低,表面活性剂浓度小于临界胶束浓度(CMC)时,γLV-浓度曲线呈线性变化;达到CMC后,表面张力几乎不发生变化。

不同结构延展型表面活性剂的CMC、CMC时的表面张力γCMC和Amin等吸附参数如表1所示。

由表1可知,C18PO15EOnCOONa分子中,随着EO基团数量的增加,CMC逐渐降低,而Amin逐渐升高;C18POmEO15COONa分子中,随着PO基团数量的增多,CMC也逐渐降低,且Amin逐渐升高。C18POmEOnCOONa分子中EO基团和PO基团数量变化对CMC和Amin的影响与文献[29-31]中报道的一致。当PO基团数量固定为15时,随着EO基团数目的升高,C18PO15EOnCOONa分子的亲水性增强,并且在溶液表面吸附时的空间阻碍增强,表现为饱和吸附面积增大和CMC时的表面张力升高;当EO基团数量固定为15时,随着PO基团数目的升高,C18POmEO15COONa分子的亲油性增强,有利于其在溶液表面的吸附,但长PO链产生的空间阻碍作用导致饱和吸附面积的增大和CMC时的表面张力升高。PO基团数目的增加导致整个分子的疏水性增强,CMC降低是合理的结果;有趣的是,随着EO基团链长的增加,分子亲水性增强,却同样造成CMC降低。这是因为弱极性的EO基团紧靠着阴离子头,离子头的部分负电荷会分散在EO链上,削弱分子间的静电斥力,从而使表面活性剂分子在体相中更容易发生聚集。EO基团这种分散离子头电荷的作用,也是延展型表面活性剂抗盐能力的来源。

2.2 在PMMA表面的接触角

浓度对C18POmEOnCOONa溶液在PMMA表面接触角的影响如图2所示。

对于传统的表面活性剂如SDS、CTAB和TX-100[32-33],接触角随着浓度的升高逐渐减小,当浓度大于CMC后,接触角达到平台值并保持不变。而对于延展型表面活性剂C18POmEOnCOONa而言,由图2可知,浓度小于CMC时,接触角随着浓度的变化较小,浓度大于CMC时,接触角开始随着浓度的升高逐渐降低,在高浓度时,接触角发生骤降。高浓度时,随着PO基团数量的升高,5种延展型表面活性剂接触角逐渐增大;随着EO基团数量的升高,接触角的变化可忽略不计。由此说明,延展型表面活性剂因为具有不同数量的PO基团和EO基团而表现出与传统表面活性剂不同的接触角变化趋势。结合图1可知,体相中的表面活性分子在溶液-空气界面吸附并在CMC后达到饱和吸附,表面张力值不发生变化;而接触角随着浓度的升高继续降低。这暗示着体相中的表面活性剂分子会继续在PMMA表面吸附,从而影响接触角的变化,因此,需要通过其它吸附参数进行分析才能得出表面活性剂分子在PMMA表面的吸附机理。

2.3 在PMMA-溶液界面的黏附张力

图3为实验浓度范围内C18POmEOnCOONa溶液在PMMA-溶液界面的黏附张力γLVcos θ随γLV的变化曲线。

由图3可以看出,γLV cosθ随着γLV的降低而逐渐减小;当表面活性剂分子在气-液界面吸附饱和后,γLV 达到平台值几乎不发生变化,而γLV cos θ发生陡增。这表明γLV较高时,C18POmEOnOONaC分子吸附在溶液-空气界面的同时也在PMMA-溶液界面进行吸附;随着γLV逐渐降低,在达到CMC后,C18POmEOnCOONa分子继续在PMMA-溶液界面吸附并对γLV cos θ产生较大的影响。

表2为不同类型表面活性剂的ΓSL - ΓLV和理论最小吸附面积Amin,t。

不同于亲水的高能石英表面[10]和疏水的低能PTFE表面[36],PMMA作为中等能量表面,具有亲水和疏水基团的表面活性剂分子在PMMA-溶液界面有着不同的吸附行为。由表2可知,对于常规表面活性剂分子,其疏水部分通过疏水相互作用吸附在PMMA-溶液界面,亲水离子头朝向溶液中,PMMA表面被亲水改性。随着浓度的升高,γLV逐渐降低而γLV cos θ逐渐升高,导致斜率(ΓSL /ΓLV)呈现负值。与常规表面活性剂不同,延展型表面活性剂分子C18POmEOnCOONa同时具有疏水基团(PO)和亲水基团(EO),在CMC之前,EO基团容易通过极性相互作用吸附在中性的PMMA表面,此时,γLV和γLV cos θ随着浓度的升高而逐渐降低,斜率(ΓSL /ΓLV)呈现正值[22],且绝对值均小于1,这意味着C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气界面的吸附量大于PMMA-溶液界面的吸附量。需要注意的是,ΓSL /ΓLV随着PO和EO基团数量的增多而逐渐增大,且PO基团数量的增多对于ΓSL /ΓLV的影响明显比EO基团的影响大。

2.4 在溶液-PMMA界面的界面张力

固液界面张力γSL是影响PMMA表面润湿性的重要因素,充分了解浓度对γSL的影响显得尤为必要。通过杨氏方程计算γSL,可得浓度对C18POmEOnCOONa溶液-PMMA界面张力的影响,结果如图4所示。

由图4可知,在整个实验浓度范围内,界面张力随着浓度的升高先逐渐增大,在CMC附近维持一个短暂的平台值,然后随浓度升高明显降低。浓度小于CMC时,C18POmEOnCOONa分子的EO基团通过极性作用少量吸附在PMMA-溶液界面,疏水尾链翘起,中性润湿的PMMA表面逐渐疏水改性,γSL随着浓度的升高逐渐增大;在CMC附近,C18POmEOnCOONa分子在PMMA-溶液界面形成饱和吸附,体相中的表面活性剂分子开始形成胶团状的聚集体,此时γSL达到最大值并形成短暂的平台区域;浓度大于CMC时,体相中的C18POmEOnCOONa分子通过疏水相互作用继续吸附在PMMA-溶液界面并形成聚集体,亲水头基朝向水相,将轻微疏水化的PMMA表面逐渐亲水改性,γSL随着浓度的升高发生陡降。

通过对γSL随浓度变化的2个阶段进行线性拟合,分别得到CMC前后表面活性剂的γSL随浓度变化曲线的斜率,并计算得到不同表面活性剂分子在PMMA-溶液界面的饱和吸附量和饱和吸附面积,如表3所示。

在之前的研究[23]中发现,在CMC前后,具有EO基团的延展型表面活性剂C16EOnC在PMMA-溶液界面的饱和吸附面积近似相等,在PMMA-溶液界面形成饱和吸附之后通过疏水相互作用形成双层结构的聚集体。而对于具有PO基团的延展型表面活性剂L-C12PO4S和S-C12PO7S等,在CMC之前的饱和吸附面积为CMC之后的2~3倍,表面活性剂分子通过疏水相互作用在界面形成聚集体[21-22],将中性的PMMA表面亲水改性。

由图4和表3可知,C18POmEOnCOONa分子在CMC之后继续吸附在PMMA-溶液界面,且饱和吸附量明显大于CMC前的吸附量,暗示随着浓度的升高,大于CMC后,C18POmEOnCOONa分子在界面形成了聚集体。在高浓度时,界面张力值随着PO基团和EO基团数量的升高而逐渐增大,且PO数量的升高对界面张力的影响明显大于EO基团对界面张力的影响;而在CMC附近,界面张力形成的平台现象随着EO基团数量的升高变得明显,这可能是因为PO基团的空间位阻和EO基团减弱离子头静电斥力所导致的结果。

2.5 在PMMA-溶液界面的黏附功

浓度对延展型表面活性剂黏附功的影响如图5所示。

由图5可知,在低浓度时,C18POmEOnCOONa分子在界面上的吸附量较小,γLV cos θ和γLV变化较小,黏附功不变;随着浓度的升高,在CMC之前,体相中的C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面吸附量增大,γLV cos θ和γLV逐渐降低,此时黏附功的变化表现为两者共同作用的结果,迅速降低;在CMC附近,C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面形成饱和吸附,黏附功再度达到平台值;而进一步增大浓度,C18POmEOnCOONa分子在PMMA-溶液界面上大量吸附并形成聚集体,此时黏附功以γLV cos θ为主导,随着γLV cos θ的增大而逐渐升高。值得注意的是,高浓度时,随着PO基团数量的增多,黏附功逐渐降低;而EO数量的变化对黏附功的影响较小。

2.6 在PMMA-溶液界面的吸附机理

综上所述,不同结构C18POmEOnCOONa分子在PMMA-溶液界面的吸附机理是一致的。因此,以C18PO10EO15COONa分子为代表,综合讨论其接触角、表面张力和PMMA-溶液界面张力随浓度的变化规律,阐明其吸附机制。

图6为浓度对C18PO10EO15COONa在PMMA-溶液界面和溶液表面θ、γLV和γSL的影响趋势。

由图6可以看出,整个吸附过程分为4个阶段:

(1) 第1阶段[10-8~10-7 mol/L),浓度较低,C18PO10-EO15COONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面吸附量小,吸附参数几乎不发生变化。

(2) 第2阶段[10-7~CMC),随着浓度的逐渐升高,C18PO10EO15COONa分子在界面上的吸附量增大,发生不饱和吸附,PMMA表面逐渐被轻微疏水化,表现为γLV降低而γSL增大。此时接触角应该随着γLV的降低而逐渐减小,随着γSL的升高而逐渐增大,两者共同作用导致接触角变化较小。

(3) 第3阶段[CMC~10-4 mol/L),当浓度大于CMC时,C18PO10EO15COONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面的吸附量达到最大并形成饱和吸附。此时γLV和γSL均达到平台值,接触角几乎不变。

(4) 第4阶段[10-4~10-2 mol/L],C18PO10EO15COONa分子通过疏水相互作用形成聚集体,使中性润湿的PMMA表面逐渐亲水改性。此时γLV保持不变而γSL降低,表现为接触角急剧减小。

3 结 论

本文研究含有不同数量PO基团和EO基团的延展型表面活性剂C18POmEOnCOONa对PMMA表面润湿性的影响,通过表面张力和接触角测量,计算得到黏附张力、固液界面张力和黏附功等吸附参数,阐释表面活性剂分子在PMMA-溶液界面的吸附机理。结果表明:

(1) 浓度在CMC之前,C18POmEOnCOONa分子同时在PMMA-溶液界面和溶液-空气界面上吸附,PMMA表面被轻微疏水改性,接触角在表面张力和固液界面张力的作用下保持不变;此时表面黏附张力和表面张力呈线性关系,且ΓSL /ΓLV lt; 1,分子在溶液-空气界面的吸附量明显大于PMMA-溶液界面的吸附量。

(2) 浓度在CMC之后,C18POmEOnCOONa分子在溶液-空气界面和PMMA-溶液界面达到饱和吸附,表面张力、固液界面张力和接触角均暂时保持不变。

(3) 浓度进一步升高,EO基团对带电离子头的静电斥力有抑制作用,C18POmEOnCOONa分子通过疏水相互作用在PMMA-溶液界面形成聚集体,PMMA表面被明显亲水改性,接触角进一步降低。

(4) 对于中性润湿的PMMA表面,由于PO基团相比于EO基团有较大的空间位阻,当浓度达到CMC时,C18POmEOnCOONa的表面张力值和高浓度时的接触角随着PO基团数量的增多逐渐升高;而EO基团数量的增多对吸附参数的影响较小。

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本文引文格式:

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