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香蘭素基聚氧乙烯醚動態(tài)表面張力測定及在氣/液界面的吸附行為研究（二）
來源：日用化學工業(yè) 瀏覽 546 次 發(fā)布時間:2025-08-05
2.3 VAEO不同吸附階段的吸附機理
根據2.2的實驗結果，將VAEO在吸附前期與吸附后期的吸附行為分別討論。
2.3.1吸附前期
在初始吸附階段，表面層VAEO分子很少，可以用方程（2）來表述表面張力與時間的關系，對非離子表面活性劑，式中n=1.以y（t）對t/2作圖，結果見圖3.短時間內γ（t）與t1/2成直線關系，直線截距對應溶劑的表面張力，擴散系數D可由直線斜率求出，結果見表1.
分析表1數據：在VAEO溶液質量濃度小于cmc時，吸附前期擴散系數D隨質量濃度增大而增大，說明擴散系數D與質量濃度有關。擴散系數D隨濃度增大的情況，有研究認為,可能的原因是隨著溶液質量濃度增大，游離表面活性劑與水分子結合的乙氧基鏈段構型發(fā)生變化，在擴散過程中表面活性劑與水之間的作用力減弱，同時擴散過程中靠近表面活性劑的水分子附近應力場發(fā)生畸變，易形成空位和活化能降低，有利于后面表面活性劑的擴散，這種狀況在游離的表面活性劑分子濃度達到頂峰時，即cmc附近最為顯著，之后由于膠束的形成，會在一定程度上破壞這種行為，導致擴散速率降低。當質量濃度大于cmc時，短時間內，表面張力下降到很低的數值（見圖2），說明短時間內表面層已經吸附一定量溶質單分子，形成一定的表面壓，而表面壓可產生一定的吸附勢壘，影響分子從次表面層到表面層的擴散速率，吸附轉而由混合動力控制，此時溶液已不是稀溶液，方程（2）不再適用。
2.3.2吸附后期
吸附后期，即方程（3）中的t-1/2數值較小，吸附層吸附與解吸接近平衡，DST變化較小。以gamma（t）對t^{-1/2}作圖，見圖4.由圖4中可見，VAEO{}_{10}和VAEO{}_{20}的gamma（t）與t-1/2在后期（t>9000ms）為直線關系，這符合方程（3）給出的關系，在t→∞時，t{}^{-1/2}的系數可看作恒定值。同時，直線的截距應為各質量濃度下的gamma_{text{eq}}.通過截距求得y,與吊環(huán)法得到的靜態(tài)表面張力gamma_{eq}實驗值相接近，結果如表2所示。因此可用方程（3）來計算接近平衡時（吸附后期）的擴散系數，為了與吸附前期的D相區(qū)別，稱之為DL.
量濃度的D_{L},范圍在0.23times 10^{-12}sim 1.10times 10^{-12}——m^{2}/s之間。分別與同一質量濃度下吸附前期擴散系數D（見表1）比較，D_{L}低于D1——2個數量級，D_{L}/D均遠小于1,表明吸附后期存在方程（4）定義的吸附勢壘varepsilon_{a}.在吸附后期，一方面，氣/液界面可吸附空位減少，表面活性劑分子不能有效吸附在空位上；另一方面，表面吸附量增加，溶液表面壓隨之升高，只有部分高于某一活化能的分子才能夠吸附，同時，從氣/液界面解吸的分子數增多，一部分聚集到次表面，擴散勢能增加，進一步影響吸附速率。因此，吸附后期表面活性劑的吸附不符合擴散控制吸附模型，而符合混合動力控制吸附模型。上述吸附后期擴散系數D_{L}即為表觀擴散系數D_{a}.
由圖4中直線部分的斜率求得小于cmc的不同質量濃度的D_{L},范圍在0.23times 10^{-12}sim 1.10times 10^{-12}——m^{2}/s之間。分別與同一質量濃度下吸附前期擴散系數D（見表1）比較，D_{L}低于D1——2個數量級，D_{L}/D均遠小于1,表明吸附后期存在方程（4）定義的吸附勢壘varepsilon_{a}.在吸附后期，一方面，氣/液界面可吸附空位減少，表面活性劑分子不能有效吸附在空位上；另一方面，表面吸附量增加，溶液表面壓隨之升高，只有部分高于某一活化能的分子才能夠吸附，同時，從氣/液界面解吸的分子數增多，一部分聚集到次表面，擴散勢能增加，進一步影響吸附速率。因此，吸附后期表面活性劑的吸附不符合擴散控制吸附模型，而符合混合動力控制吸附模型。上述吸附后期擴散系數D_{L}即為表觀擴散系數D_{a}.
2.4 VAEO以膠束形式存在時對吸附行為的影響
有膠束存在的溶液的吸附機理較復雜，膠束的形成和分離分為快過程和慢過程兩個階段{}^{[19]}.快過程指膠束釋放單個分子進人本體溶液，所用時間為tau_1,同時，本體溶液的單個表面活性劑分子快速進入膠束，這個過程很短left（10^{-6}sim 10^{-4}——sright）^{[20,21]},對吸附過程沒有影響，因此tau_1可以忽略。慢過程是指整個膠束完全破裂，所用時間tau_2,即膠束壽命，如果時間足夠短，膠束破裂釋放出來的表面活性劑分子就會參與吸附，對吸附行為造成影響，如果膠束存在壽命tau_2較長，大于到達gamma_{eq}所需時間t_{eq},膠束釋放出的表面活性劑分子則不會參與吸附過程。因此tau_2的長短決定膠束是否影響吸附行為，這里僅討論tau_2對吸附機理的影響。
VAEO質量濃度大于cmc時，溶液中有膠束產生。對于膠束溶液，不同質量濃度下的膠束壽命tau_2可用方程（7）求出。
經計算得，（dγ/dt-1/2）cmc/（dγ/dt-1）c>cmc與溶液質量濃度成負相關，從方程（7）可知膠束壽命與質量濃度成正相關，即在有膠束存在的溶液中，質量濃度越高，τ2越長?？梢酝ㄟ^比較DST達到平衡的時間與τ2的長短得出膠束中表面活性劑分子是否參與界面吸附，從而確定其是否影響吸附行為。本實驗中質量濃度大于cmc的溶液，達到吸附平衡的時間最長為0.25s（t-1/2=2s-1/2,見圖4）。膠束最短壽命時間來自VAEO10,圖5顯示VAEO10的（dγ/dt-1/2）cmc/（dγ/dt-1）c≈cmc=0.83s1/2,代入方程（7）計算得τ2=1.14s,大于0.25s,表明膠束對VAEO10和VAEO20的吸附機理影響較小。因此，質量濃度大于cmc的VAEO溶液在吸附前期和后期的吸附模型都屬于混合動力控制吸附。
從以上對VAEO10和VAEO20在氣/液界面的吸附行為的研究可知，當質量濃度小于cmc時，二者在吸附前期均表現(xiàn)為擴散控制吸附，擴散系數D的數量級為10-11m2/s,在吸附后期均為混合動力控制吸附，表觀擴散系數Da的數量級為10-12m2/s.膠束存在時，τ2較長，大于到達γeq所需時間teq,膠束形成不影響表面張力隨時間的變化趨勢。據文獻報道,壬基酚聚氧乙烯醚（NPEO9）濃度小于cmc時的擴散系數為3.9×10-10m2/s（滴體積法），平衡表面張力為30.6mN/m,可推測NPEO10的擴散系數在3.9×10-10m2/s附近，大于本研究中VAEO10的擴散系數。VAEO的疏水部分分子結構比NPEO的大，前者較后者多一個縮醛環(huán)和一個甲氧基，這兩個基團一方面造成VAEO的空間體積較大，另一方面，縮醛環(huán)中的——O-與水分子可能形成氫鍵，均增加了VAEO擴散時的阻力，因而降低了擴散速率。
3結論
利用最大氣泡壓力法測定VAEO溶液的動態(tài)表面張力，研究了不同質量濃度下吸附前期與吸附后期的氣/液界面吸附機理。當VAEO質量濃度低于cmc時，VAEO在吸附前期符合擴散控制吸附模型，擴散系數D的數量級為10-11m2/s，吸附后期符合混合動力控制吸附模型，這與大多數非離子型表面活性劑的表現(xiàn)相同。當VAEO質量濃度大于cmc,即當膠束存在時，膠束壽命大于吸附平衡時間，膠束對吸附行為影響不大，仍為混合動力控制吸附。