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十六烷基三甲基溴化銨-對甲苯磺酸鈉溶液流變性研究

2015-12-24 03:30:50肖繼斌侯代勇代磊陽焦文超袁輝馬喜平
應用化工 2015年6期
關鍵詞:溴化銨粘彈性烷基

肖繼斌,侯代勇,代磊陽,焦文超,袁輝,馬喜平

(西南石油大學 化學化工學院,四川 成都 610500)

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是一種性能優(yōu)良的陽離子型表面活性劑,廣泛應用于石油化工[1-2]、生 物 化 工[3]、新 型 材 料[4]等 多 個 領 域。CTAB 具有較低的臨界膠束濃度和較好的粘彈性質(zhì)[5]及良好的緩蝕性[6-7],吸引眾多國內(nèi)外學者對其性質(zhì)進行研究及應用。陽離子表面活性劑CTAB隨著體系條件(濃度、溫度、溶劑、添加劑)不同,表現(xiàn)出不同的聚集形式。溶液體系的聚集狀態(tài)可以是球狀膠束、棒狀膠束甚至蠕蟲狀膠束或者線性膠束。在表面活性劑高濃度時,尤其在加入某些反離子無機鹽、有機鹽及非離子表面活性劑后,體系中聚集體還能通過纏繞形成網(wǎng)狀結構,使得體系粘度增大,并且有 良 好 的 粘 彈 性 質(zhì)。Kelly R Francisco[8],Oelschaeger C[9],Lisa Sreeiith[10],Kuperkar K 等[11]作過關于CTAB 與無機鹽(KBr、NaCl、NaNO3等)相互作用的實驗研究,借助流變儀、靜態(tài)和動態(tài)光散射、冷凍透射電鏡等技術,深入地研究了無機鹽對CTAB 溶液體系聚集體形態(tài)變化,粘彈特性的影響。鄭最勝等[12]對CTAB 與NaCl 復合體系界面擴張粘彈性質(zhì)進行研究,指出CTAB 表面膜的微觀弛豫過程主要受擴散弛豫過程控制,CTAB/NaCl 復合體系的界面擴張粘彈性質(zhì)參數(shù)隨NaCl 濃度增加呈一定變化趨勢,相角基本上不受NaCl 濃度影響。相應的,研究人員通過向CTAB 溶液中加入不同類型的有機鹽,如Wei Xilian[13-14],Hassan P[15],Toshiyuki Shikata[16],Gokhale G D[17],Hironobu Kuniedaa[18]等向CTAB 溶液中分別加入水楊酸鈉、有機萘鹽、有機磺酸鹽、酚鹽以及陰離子表面活性劑和非離子表面活性劑,研究體系聚集態(tài)和流變性質(zhì)的變化以及應用。雖然學者們對CTAB 進行大量的實驗研究,但是,對于CTAB 與有機反離子復配后,復合體系的流變特性研究不足,尤其是體系聚集體形態(tài)以及流變行為的描述有待深入研究,而且對于反離子對甲苯磺酸與CTAB 的復配試驗也沒有相關研究和報道。因此,本文著重研究反離子鹽對甲基苯磺酸鈉加到CTAB 溶液中進行復配,通過幾個常用流變模型對該體系進行描述,從而考察該體系的流變行為。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、對甲苯磺酸鈉均為分析純。

Bohlin CVO 旋轉流變儀。

1.2 實驗方法

(1)溶液的配制:取CTAB 1 g,配成50 g 溶液,按摩爾比為1∶1 向溶液中加入對甲苯磺酸鈉,攪拌均勻即可形成良好的粘彈性流體。靜置過夜,讓氣泡自然消失。

(2)常溫下使用Bohlin CVO 流變儀測量流體的粘彈性,先確定線性粘彈區(qū),再進行應力掃描。

(3)測量溶液的變剪切粘度,其中剪切速率為0.01 ~100 rad/s。

2 結果與分析

2.1 流變參數(shù)計算公式

表面活性劑構成的蠕蟲狀膠束溶液通常用Cates 模型描述[19-23],該模型認為膠束除了蠕動外,還處于膠束的破裂和重組之間的動態(tài)平衡,這是區(qū)別于普通高分子鏈的重要特征。對于符合麥克斯韋模型的流體,彈性模量G' 和粘性模量G″ 與剪切頻率ω 有如下關系:

其中,τR為流體松弛時間,其值為彈性和粘性模量相交時角頻率倒數(shù)ωc-1,G0為高頻率時G'的平臺值為復合粘度,若在極低剪切頻率下的剪切粘度與復合粘度具有相同或相近的值,該規(guī)則稱為Cox-Merz 規(guī)則[25]。當G″ >G' 時,體系表現(xiàn)出似液體性質(zhì),當G' >G″時,體系表現(xiàn)為似固體性質(zhì)。符合麥克斯韋模型的粘彈性流體可用下式進行表征:

由計算值G″與實際值G' 作圖,即為Cole-Cole圖,若圖形為半圓形,則表明符合Maxwell 模型,流體為具有單一松弛時間的線性粘彈性流體[24,26]。

2.2 流變測試結果

本實驗中剪切頻率范圍為0.01 ~100 rad/s,固定剪切應力為1 Pa,動態(tài)流變測試結果見圖1。

圖1 CTAB-對甲苯磺酸鈉水溶液的G'、G″-ω 雙對數(shù)曲線Fig.1 G',G″-ω relationship of CTAB-sodium p-toluenesulfonate solution

由圖1 可知,在剪切頻率較低時,G″ 的值高于G' ,此時流體以彈性為主,而在頻率超過0.863 2 rad/s時,G' 的值高于G″,此時流體以粘性為主;而在頻率超過15.048 4 rad/s 后,流體網(wǎng)狀結構逐漸開始被破壞,粘彈性不再具有明顯的表現(xiàn)特征。從G' 與G″ 的交點可得出流體松弛時間為1.158 s。

2.3 Cole-Cole 圖分析

由式(4),以計算值和實測的G″ 為縱坐標,以G' 作圖,見圖2。圖中實線為根據(jù)麥克斯韋模型擬合的數(shù)據(jù)線,散點為實測值。

圖2 CTAB-對甲苯磺酸鈉溶液Cole-Cole 圖Fig.2 Cole-Cole plots of CTAB-sodium p-toluenesulfonate solution

由圖2 可知,在剪切頻率范圍內(nèi),實驗流體與Maxwell 流體模型吻合較好,說明該流體具有單一的松弛時間;而在高頻率時某些數(shù)據(jù)點偏離半圓形,表明在剪切頻率較高時,加快了膠束破裂與重組,膠束聚集結構發(fā)生變化,流體受剪切稀釋,從而偏離了以蠕動為主要特征的麥克斯韋現(xiàn)象。

2.4 Cox-Merz 規(guī)則

針對由蠕蟲狀膠束形成的穩(wěn)定網(wǎng)絡結構,剪切粘度η 和復合粘度在相應的剪切速率和振蕩頻率下應具有相近或相等的值;如果體系易被破壞,則會出現(xiàn)>>η 的現(xiàn)象。本實驗中溶液的剪切粘度與復合粘度數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 粘度與剪切頻率關系Fig.3 The relationship of viscosity and shear rate

3 結論

用流變儀測量了CTAB-對甲苯磺酸鈉溶液的流變性,其摩爾比為1∶1 時,溶液粘彈性極好。當剪切速率為0.863 2 rad/s,彈性模量超過粘性模量,溶液具有單一的結構松弛時間為1.158 s。在0.01 ~100 s的剪切速率范圍內(nèi),溶液符合麥克斯韋流體模型;溶液的復合粘度與剪切粘度具有相近的值,由低剪切速率的粘度值外推可得溶液的零剪切粘度約為10.5 Pa·s。

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