粘弹性胶束

表面活性剂的性质和纳米自组装结构
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表面活性剂的分类
阴离子表面活性剂
种 类 名称 烷基硫酸盐 烷基苯硫酸盐 肥皂 α 烯基磺酸盐 羟基烷基磺酸盐 阴 离 子 表 面 活 性 剂 典型结构式 R1-CH(-R2)-SO3Na R-C6H4-SO3Na， R=C10~13 R-CH2-COONa， R=C10~16 R1-CH2-CH=CH-(CH2)n-SO3Na， R2-CH2-CH(OH)-(CH2)m-SO3Na R1=C8~12，n=1-3；R2=C7~13，n=1-3 脂肪醇硫酸盐 脂肪醇醚硫酸盐， 烷 基醚硫酸盐 α 磺基脂肪酸甲酯 醇醚羧酸盐 壬基酚聚氧乙烯醚 羧酸盐 R-CH2-O-SO3Na， R=C11~17 R1(R2)-CH-CH2-O-(CH2CH2O)n-SO3Na R1=H，n=1-4 R-CH-(SO3Na)-COOCH3 R=C14~16 R-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa C9H19-C6H4-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa FAS FES, AES SES,MES AEC APEC 缩写 SAS LAS AOS
G" tan G'
G"
0 sin 0
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两种组成不同的胶束体系的粘弹性
1000
1000
100
G',G",G* (Pa)
G',G",G* (Pa)
100
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
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12-2-12水溶液冷冻电镜
A-0.26%
B-0.5%
C-0.62%
D-0.74%
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12-2-12水溶液冷冻电镜
E-1.0
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剪切诱导粘度的特殊变化 （Shear induced Structure， SIS）
Effect of the shear rate on the viscosity of a 1-wt.% solution of 12-2-12 in D2 O.
非牛顿流体流变学概要
Introduction on Non-Newtonian Fluid Rheology
2
牛顿流体和虎克固体
牛顿粘性定律


du dy
d dt
剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比，比例系数为粘度。在一定温度下， 粘度为常数。
虎克定律-纯弹性体
G
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阳离子、两性表面活性剂
种类 阳离子 表面活 性剂 两性离 子表面 活性剂
名称 卤化烷基季铵盐 卤化烷基吡啶 卤化烷氧基羟丙基 季铵盐 卤化烷基铵盐 甜菜碱
典型结构式
R N (CH 3 )3 X

R (C 2 H 5 N ) X
R O CH 2CH (OH )CH 2 N(CH 3 )3 X
当外力大于某临界应力值时，材料才始流动，该临界 应力称为屈服应力。
4
非牛顿流体及种类
非牛顿流体的分类
5
非牛顿流体的性质
• • • • • • •
6
剪切变稀 （Shear Thinning） 剪切增稠 （ShearThickening） 屈服应力 （Yield Stress） 触变性（thixotropy） 粘弹性（visocoelasticity） 爬竿效应（Weissenberg效应） 湍流减阻效应（Toms效应）火焰喷射器
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1.2 阳离子表面活性剂溶液的相图
Schematic phase diagram for cationic surfactant solutions
29
The history of the physical chemistry of micellar solutions
• 1913年J.W. McBain 最早提出胶束结构状态。
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流变反应动力学耦合过程
粘弹性——另一个依时特性
• 材料同时具有粘性和弹性的属性，称为粘弹性。 • “刚柔相济” 的特性
• 体现自然辩证法的一般规律:
“一切差异都在中间阶段融合，一切对立都经过中间环节而互相 过渡”。 • 小振幅振荡剪切流场中获得粘弹性指标，如弹性模量G’、粘性模 量G”、复模量G*。
1.McBain, J.W.Trans. Faraday Soc . 1913,9, 99.
2.McBain, J.W.Colloid Chemistry,vol. 5, Alexand er, J., Ed., Reinhold, New York,1944, p. 102.
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表面活性剂稀溶液的自组装结构
11
化妆品凝胶乳液室温下的触变曲线
（A）制备出24小时，（B）制备120天。分别含维他命和不含维他命酯类
Stability of cosmetic formulations containing esters of Vitamins E and A: Chemical and physical aspects International Journal of Pharmaceutics 327 (2006) 12–16
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非牛顿流体粘度随剪切速率变化一般规律
第一牛顿区、幂律区、第二牛顿区
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典型广义牛顿流体本构方程
幂律模型 （Power’s Law Model）
K n
或
K n 1 K ' n '
K-稠度系数
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n-流型参数
截断幂律模型
0 , 0 n 1 0 ( ) , 0 0
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双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐
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双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐 粘弹性胶束体系特殊的粘温关系
典型结构式
R-O-(CH2CH2O)nH R-C6H4-O-(CH2CH2O)nH RCONH(C2H4O)nH， RCON(C2H4O)n(C2H4O)mH， RCONHC2H4OH RO(C3H6O)m(C2H4O)nH RCOO-(CH2CH2O)nH C11H23COOC6H11O4, (失水山梨醇单月桂酸酯)
球形胶束
棒状或蠕虫状胶束
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球形双层囊泡
胶束微观结构（冷冻透射扫描电镜图 Cryo-TEM）
Threadlike micelles in a cryo-TEM image of an aqueous solution of 5 mM cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) with 3 mM Na-p-iodobenzoate. Compare the low-dose image (A) with the high-dose image (B) and note the overall loss of material and fi ne detail. Note also the “lasso-type” TLM seen in this field of view.
线性粘弹性Maxwell本构方程
~ ~ t ~ G
在小振幅振荡流场中的解

G
,
Maxwell 本构方程
G2 2 G' 1 2 2 G" G 1 2 2
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剪切应力与应变成正比，比例系数为杨氏模量G。
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非牛顿流体及种类
• 拟塑性流体 (pseudo-plastic fluid)
粘度随剪切速率增大而减小，剪切变稀流体。 • 涨塑性流体（dilatant fluid） 粘度随剪切速率增大而增大，剪切增稠流体。 • 含屈服应力的流体(fluid with yield stress)
现代化工技术进展
粘弹性胶束体系 流变和减阻性质研究进展 Character
报告人: 方 波 教授
00000
华东理工大学化工学院流变学研究室
2011年11月17日
提纲
1 2 3 4 5 6
1
非牛顿流体流变学概要 表面活性剂的性质和结构 粘弹性胶束体系的特殊流变性质 光敏粘弹性胶束体系 粘弹性胶束体系的典型应用（减阻和强化采油） 结语
冠心病 (CHD)
急性中风ischemic stroke (IS)
严重异常急性中风
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LDPE(低密度聚乙烯)熔体的滞后环
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触变性的成因
• 对纯牛顿流体，在应力-剪切速率曲线上，得到一 条过原点的直线，上行线与下行线重合。
• 对非牛顿流体，由于材料受力后，结构破坏和恢 复速度不同，出现内部应力滞后现象。
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新一代低聚表面活性剂
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低聚表面活性剂-Gemini
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低聚阳离子活性剂表面张力曲线
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Gemini独特的流变特性
• 具有短链连接基团的Gemini在相当低的浓度下表现出很高 的粘度 • DTAB溶液浓度为10%时，粘度与水相近。 • 1% 的Gemini12-2-12 生成巨大的线性胶束 • 5%的Gemini12-2-12，粘度为几百Pa.s，具有粘弹性 • 7%的Gemini 12-2-12 ，形成凝胶。
剪切变稀和剪切增稠
7
非牛顿流体的依时特性—触变性
• 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而减小，并最终
达到平衡粘度，该特性称为正触变性，简称触变性。 • 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而增大，并最终 达到平衡粘度，该特性称为反触变性（antithixotropy )。