理论教育 表面活性剂吸附动力学研究成果

表面活性剂吸附动力学研究成果

时间:2023-10-31 理论教育 版权反馈
【摘要】:图2-24所示为不同浓度的癸醇水溶液的表面张力随时间的变化曲线。而表面活性剂水溶液的表面张力时间效应因其分子较大而更为突出。从图2-25中可以看出,它们达到吸附平衡所需时间远大于癸醇水溶液,溶液中加入无机盐可大大加快吸附速度。图2-24 癸醇水溶液的表面吸附动力学图2-25 C12H25SO4Na水溶液的表面吸附动力学影响吸附速度的因素很多,这些因素与吸附机理密切相关。其速度与表面活性剂结构、吸附层组成与状态、温度等因素有关。

表面活性剂吸附动力学研究成果

前面讨论的都是表面活性剂在溶液表面吸附平衡时的特性和规律,并没有考虑在吸附达到平衡的过程中表面特性所遵循的规律,或者说吸附速度与表面张力的关系,即吸附动力学的问题。但是,在实际应用中,吸附速度有时具有决定性的作用。例如,在泡沫生成和涂膜过程中,新表面不断生成,表面活性剂逐步吸附到表面上,相应地减小表面张力使液膜容易生成;所形成的吸附膜能防止液膜收缩和破裂,使泡沫稳定、涂布均匀。如果吸附速度缓慢,赶不上液膜扩展和破裂的速度,则不能发挥表面活性剂的效能。因此,需要研究非平衡情况下的溶液表面性质和吸附速度的规律。

在液面陈化过程中,溶液表面张力先随时间推移而减小,并在一定时间后达稳定值。图2-24所示为不同浓度的癸醇水溶液的表面张力随时间的变化曲线。图中虚线与各浓度溶液对应的曲线交点分别为A,B,C,D,在各交点之后,溶液表面张力基本上不再随时间而改变。这个表面张力值就是溶液的平衡表面张力;在此时间以前的表面张力值称为动表面张力。存在动表面张力的现象又叫作表面张力时间效应。癸酸水溶液的表面张力-时间曲线也与此相似。从这些实验结果可总结出一个规律:表面活性剂浓度越大,达到吸附平衡所需的时间越短。

溶液表面张力时间效应与溶质分子大小有明显关系。分子小则时间效应小。碳链长度小于8的醇类基本上在1s以内就可以达到平衡表面张力。而表面活性剂水溶液的表面张力时间效应因其分子较大而更为突出。图2-25是十二烷基硫酸钠水溶液的表面张力-时间曲线。从图2-25中可以看出,它们达到吸附平衡所需时间远大于癸醇水溶液,溶液中加入无机盐可大大加快吸附速度。

表面张力时间效应的直接成因是溶液表面达到吸附平衡需要时间。由于溶液的表面张力是表面组成的函数,吸附开始的瞬间,吸附量为零,溶液的表面张力最大,而随着吸附过程的进行,有更多的表面活性剂分子被吸附到溶液表面,表面张力随即下降,因此,Γ-t曲线反映了表面吸附量随时间的变化,即吸附速度。(www.daowen.com)

图2-24 癸醇水溶液的表面吸附动力学

图2-25 C12H25SO4Na水溶液的表面吸附动力学

影响吸附速度的因素很多,这些因素与吸附机理密切相关。一般认为,吸附过程的机理至少包括两个步骤:①溶质分子从溶液内部扩散到表面;②来到表面的分子进入吸附层并找到各自的位置定向排列。每一步都需要一定的时间,并且分别受各种物理化学因素的影响,主要包括:扩散速度受体相黏度、溶质分子尺寸和形态、溶质与溶剂间的相互作用及温度等。表面活性离子的吸附还受已吸附离子的电性排斥作用。溶质进入吸附层可能包括取代原有表面分子、脱水、定向等步骤。其速度与表面活性剂结构、吸附层组成与状态、温度等因素有关。特别是被取代的原有表面分子的性质影响很大。如果只是溶剂则速度较快;如果存在少量高活性杂质,吸附速度将显著降低。

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