高分子溶液黏度对表面活性剂表面张力的影响研究

吴 涛，王志龙

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434000)

表面张力[1-5]是液体的重要性质之一，是化工、石油和流体工程等领域所必需的基础数据之一。对于溶液表面张力的理论研究和经验关联一直是理论工作者和工程技术人员十分重视的课题，同时表面张力也是判断表面活性剂性质优劣的重要判据之一。而在石油工业领域，表面活性剂往往和高分子溶液[6-7]一起使用，使得原来的溶液性质发生较大的变化，但很少有研究讨论高分子溶液黏度与表面活性剂表面张力的关系，而国外对于高分子溶液与表面活性剂的研究大部分基于两者之间的疏水相互作用[8]、静电相互作用[9]和氢键相互作用[10]。基于此，作者通过添加高分子溶液，改变溶液黏度，探究高分子溶液黏度对表面活性剂表面张力的影响程度和规律。

1 实验

1.1 试剂与仪器

十二烷基硫酸钠(SDS)，十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，油酸钠，OP-10，羧甲基纤维素，多元醇聚合物；实验用水为蒸馏水。

JK99B型全自动张力仪，上海中晨数字技术设备有限公司；ZNN型六速旋转黏度计，青岛百瑞达石油机械制造公司；电子精密天平；电动搅拌器、水浴锅，常州国宇仪器制造有限公司。

1.2 方法

由于所测溶液表面张力对精度要求较高，故溶液温度控制在25 ℃；由于所选用的高分子溶液黏度范围较低，故仪器转速控制在300 r·min-1，室内温度控制在28 ℃。

实验方案如下：在使用蒸馏水进行机器校准检验之后，通过测定不同浓度表面活性剂(SDS、SDBS、油酸钠、OP-10)水溶液的表面张力，确定临界胶束浓度(CMC)；选择合适黏度(7、14、26、33、40、55、60、73、85、95，mPa·s)的高分子溶液(羧甲基纤维素和多元醇聚合物)加入到上述不同浓度的表面活性剂中，测定表面张力，以研究高分子溶液黏度对表面活性剂表面张力的影响。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂水溶液的临界胶束浓度

不同浓度表面活性剂(SDS、SDBS、油酸钠、OP-10)水溶液的表面张力见表1。

表1 不同浓度表面活性剂水溶液的表面张力

由表1可知，4种表面活性剂SDS、SDBS、油酸钠、OP-10在水中的临界胶束浓度分别为：0.008 mol·L-1、0.001 4 mol·L-1、0.001 2 mol·L-1、0.000 14 mol·L-1。随着表面活性剂水溶液浓度的增加，表面张力逐渐降低，直至临界胶束浓度；当表面活性剂水溶液浓度大于临界胶束浓度时，表面张力趋于稳定。这是因为，当表面活性剂水溶液达到临界胶束浓度后，其表面已被一层定向排列的分子所覆盖，浓度达到了最大值。

2.2 加入高分子溶液后表面活性剂的表面张力

2.2.1 加入高分子溶液后SDS的表面张力

在不同浓度SDS溶液中分别加入不同黏度的羧甲基纤维素或多元醇聚合物溶液后，测定混合溶液的表面张力，考察高分子溶液黏度对SDS表面张力的影响，结果如图1所示。

由图1可知，在SDS溶液中加入不同黏度高分子溶液后，随着高分子溶液黏度的增大，SDS的表面张力呈逐渐上升趋势；随着SDS溶液浓度的增加，表面张力呈逐渐下降趋势，当SDS溶液浓度增至0.008 mol·L-1时，表面张力趋于稳定，此时SDS溶液的浓度处于临界胶束浓度；加入不同黏度高分子溶液后的SDS溶液的临界胶束浓度与SDS水溶液的临界胶束浓度相同。

图1 高分子溶液黏度对SDS表面张力的影响Fig.1 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of SDS

在加入黏度为14 mPa·s的羧甲基纤维素溶液后，SDS在临界胶束浓度对应的表面张力为36.60 mN·m-1。

2.2.2 加入高分子溶液后SDBS的表面张力

在不同浓度SDBS溶液中分别加入不同黏度的羧甲基纤维素或多元醇聚合物溶液后，测定混合溶液的表面张力，考察高分子溶液黏度对SDBS表面张力的影响，结果如图2所示。

图2 高分子溶液黏度对SDBS表面张力的影响Fig.2 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of SDBS

由图2可知，在SDBS溶液中加入不同黏度高分子溶液后， SDBS的表面张力有一个较大的提升；随着高分子溶液黏度的增大，表面张力并无较大的变化；加入不同黏度高分子溶液后的SDBS溶液的临界胶束浓度与SDBS水溶液的临界胶束浓度相同；加入高分子溶液后，SDBS溶液的表面张力相对于SDS溶液均有一个较大的提升，可能是因为，SDBS相对SDS有着更高的分子量，因此SDBS具有更强的分子间作用力。在加入黏度为14 mPa·s的羧甲基纤维素溶液后，SDBS在临界胶束浓度对应的表面张力为40.06 mN·m-1。

2.2.3 加入高分子溶液后油酸钠的表面张力

在不同浓度油酸钠溶液中分别加入不同黏度的羧甲基纤维素或多元醇聚合物溶液后，测定混合溶液的表面张力，考察高分子溶液黏度对油酸钠表面张力的影响，结果如图3所示。

由图3可知，在油酸钠溶液中加入不同黏度高分子溶液后，油酸钠的表面张力均有一个较大的跃迁，猜测可能是高分子溶液分散在油酸钠溶液中后，因为具有较强的粘结作用，从而增强了油酸钠分子间作用力，使得表面张力有所提升；随着高分子溶液黏度的增大，表面张力几乎没有变化；加入不同黏度高分子溶液后的油酸钠溶液的临界胶束浓度与油酸钠水溶液的临界胶束浓度相同。在加入黏度为14 mPa·s的羧甲基纤维素溶液后，油酸钠在临界胶束浓度对应的表面张力为54.30 mN·m-1。

图3 高分子溶液黏度对油酸钠表面张力的影响Fig.3 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of sodium oleate

2.2.4 加入高分子溶液后OP-10的表面张力

在不同浓度OP-10溶液中分别加入不同黏度的羧甲基纤维素或多元醇聚合物溶液后，测定混合溶液的表面张力，考察高分子溶液黏度对OP-10表面张力的影响，结果如图4所示。

图4 高分子溶液黏度对OP-10表面张力的影响Fig.4 Effect of viscosity of polymer solution on surface tension of OP-10

由图4可知，在OP-10溶液中加入不同黏度高分子溶液后，OP-10的表面张力均有一个显著的提升；随着高分子溶液黏度的增大，表面张力变化不大，当加入黏度为26 mPa·s、85 mPa·s的多元醇聚合物时，0.000 06 mol·L-1OP-10的表面张力分别为45.10 mN·m-1、44.95 mN·m-1；随着OP-10浓度的增加，表面张力逐渐下降，直至临界胶束浓度时趋于稳定；加入不同黏度高分子溶液后的OP-10溶液的临界胶束浓度与OP-10水溶液的临界胶束浓度相同。在加入黏度为14 mPa·s的羧甲基纤维素溶液后，OP-10在临界胶束浓度对应的表面张力为44.05 mN·m-1。

2.3 讨论

对比加入不同黏度高分子溶液前后表面活性剂的表面张力可知：加入高黏度高分子溶液后，4种表面活性剂的表面张力均会有一个明显的提升，但是升高的程度不同，高分子溶液黏度对SDS和SDBS的表面张力的影响程度较对油酸钠和OP-10的小；随着所加高分子溶液黏度的增大，4种表面活性剂的表面张力均无较大的变化；加入高分子溶液后，4种表面活性剂在临界胶束浓度下的表面张力相较于表面活性剂水溶液有一个提升，但是其临界胶束浓度不会改变。表明，高分子溶液会对表面活性剂的表面张力有一定的影响，在一定黏度范围内会略微提高表面活性剂的表面张力，但是影响程度是有限的，且不随黏度增大有较大的变化。

3 结论

通过测定4种表面活性剂在加入不同黏度羧甲基纤维素和多元醇聚合物溶液后的表面张力，得到如下结论：增大高分子溶液黏度，表面活性剂的表面张力略有提升，但变化不大；在一定黏度范围内，高分子溶液黏度对表面活性剂的临界胶束浓度没有影响；高分子溶液黏度对表面活性剂表面张力的影响在一定范围内与黏度并不具有线性关系。