鹽化工工藝中中添加劑對粘彈流體性能的影響

李豫

摘 ?要：雙子表面活性劑具有高的界面活性，較低的臨界膠束濃度（CMC）和krafft點(diǎn)，可以形成良好的超分子結(jié)構(gòu)，并且水溶性好，增溶性強(qiáng)。本文利用羧酸鹽雙子表面活性劑GC18-2-18，用黏度計和流變儀測試研究NaCl、KCl、苯甲酸鈉、乙酸鈉的濃度對陰離子雙子表面活性劑溶液的黏度和粘彈性的影響，并用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀對油水界面張力進(jìn)行研究測試，通過研究表明，隨著羧酸鹽雙子表面活性劑GC18-2-18濃度的增大，其溶液黏度呈現(xiàn)增大趨勢，溶液的液tanδ值隨濃度的增大而減小，且溶液的tanδ<1。當(dāng)GC18-2-18的濃度為0.5%時，溶液的粘度最大為26.98mPa·S。濃度的增大是使溶液中形成體積更大空間結(jié)構(gòu)更緊密的膠束結(jié)構(gòu)，有利于增黏效果。

關(guān)鍵詞：粘彈流體;陰離子表面活性劑;黏度;粘彈性

1 研究背景

雙子表面活性劑是一種含有雙親水頭基、雙疏水鏈，通過親水基團(tuán)連接的表面活性劑。與傳統(tǒng)的表面活性劑相比具有極高的表面活性，因而具有較低臨界膠束濃度以及Krafft點(diǎn)，具有良好的水溶性特征，因此雙子表明活性劑具有上述特征和性質(zhì)，因此雙子表明活性劑既可以利用它顯著的界面活性以降低油水界面張力至超低級別，又可以利用它在水溶液中可形成特種膠束結(jié)構(gòu)的能力來提高黏度。

2 雙子表面活性劑的性能

2.1表面活性

表面活性劑都具有一定的表面活性，即表面活性劑發(fā)生溶解后降低界面張力的性能。它吸附于水溶液以及空氣界面，可通過降低體系自由能的方式降低水表面張力，在實踐中水的表明張力通過測量活性劑膠束濃度（CMC）來得到。表面張力可使液體表面產(chǎn)生逐漸縮小趨勢，也是液體分子凝聚力的內(nèi)在表現(xiàn)。Gemini表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中含有兩個親水基和兩個疏水基，兩個親水基通過橋連基相連，二者之間的靜電排斥力和水化層之間的相互作用力被削弱，疏水基之間的排斥力得到加強(qiáng)，由此雙子表面活性劑分子在溶液中的排列更加緊密，分子之間更容易形成膠團(tuán)或膠束，這些都是雙子表面活性劑降低溶液表面張力的有利因素。

2.2增溶性能

表面活性劑溶于水后會形成膠束使不溶于水或微溶于水的溶質(zhì)溶解度顯著增大，這種作用稱之為增溶作用。增溶作用很大程度降低溶質(zhì)的化學(xué)勢，并最終使溶液體系各向同性均一。當(dāng)溶劑為水時，表面活性劑膠束內(nèi)部為疏水鏈的幾何，此時油性物質(zhì)具有較大的溶解度，這類表面活性劑水溶液之中幾乎不溶于水，由于其內(nèi)部是疏水鏈的集合體且具有親和性，油類物質(zhì)可以進(jìn)入膠束內(nèi)部。所以雙子表面活性劑的油類溶液中，疏水基頭朝外，親水基朝內(nèi)，由于膠團(tuán)的存在，不溶物的溶解度被大大提高;當(dāng)溶劑為油時，表面活性劑形成的溶液體系中，膠束的親水基朝內(nèi)，疏水鏈朝外，同時向其中加入水等物質(zhì)，也可溶于膠束中。

2.3溶解性能

離子型表面活性劑在水中的溶解度隨溫度的變化與一般無機(jī)鹽相似，通常溶解度與溫度成正比，即隨溫度的升高溶解度增大。它有一個特點(diǎn)，溶解度隨溫度的升高有一個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這一突變的點(diǎn)稱作Kraff點(diǎn)，Kraff點(diǎn)越低，其溶解性越好。在Kraff點(diǎn)之前，離子型表面活性劑的溶解度增大速率較快;Kraff點(diǎn)之后，溶解度隨溫度升高逐漸降低。離子型表面活性劑在水中的溶解度主要取決于構(gòu)成這類表面活性劑的親水基和疏水基的平衡，親水基及疏水基的數(shù)目、大小、種類、位置、溶液的溫度等都是其溶解度的影響因素。與傳統(tǒng)表面活性劑相比，Gemini表面活性劑具有兩個親水基，因此具有更好的水溶性，并且水溶性隨著親水基親水程度的增大而增大。大多數(shù)陰離子表面活性劑具有較低的Kraff點(diǎn)，并且都在0℃一下，有著良好的水溶性。

3 陰離子雙子表面活性劑溶液的黏度及流變性研究

3.1溶液配制

準(zhǔn)確稱取所需量的陰離子雙子表面活性劑（已提純干燥恒重），置入蒸餾水中加熱攪拌直至完全溶解，50ml定容后備用。其中配制陰離子雙子表面活性劑與助劑的復(fù)配溶液時，應(yīng)稱取一定量表面活性劑（已提純干燥恒重），置入蒸餾水中加熱攪拌進(jìn)行溶解，在溶解過程中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的助劑溶液（氯化鈉、氯化鉀、苯甲酸鈉、乙酸鈉）繼續(xù)進(jìn)行加熱攪拌溶解，并加入蒸餾水定容到50mL，得到所需溶液。

3.2實驗方法

（1）溶液黏度研究方法

陰離子雙子表面活性劑溶液黏度測試采用Brookfield DV2T黏度計完成，設(shè)置溫度30℃，剪切速率為7 s-1，黏度測試誤差1mPa·s + 0.005mPa·s。

粘度測試實驗步驟如下：

①向樣品杯中加入適量樣品至刻度線位置;

②將樣品杯放入DV2T粘度計控溫系統(tǒng)內(nèi)，同時將固定旋鈕鎖緊;

③安裝好轉(zhuǎn)子，手動懸下轉(zhuǎn)子，并保持轉(zhuǎn)子在懸下過程中不接觸樣品杯壁面，使轉(zhuǎn)子的最上方剛剛沒過待測樣品且不接觸樣品杯底部;

④打開儀器的控制面板設(shè)置溫度（30℃）、剪切速率（7s-1）等參數(shù)，開始測試。

3.3 實驗結(jié)果與討論

剪切速率（7s-1），溫度（30℃）相同時，考察羧酸鹽雙子表面活性劑GC18-2-18濃度對其溶液粘度影響。隨著濃度的增大，羧酸鹽雙子表面活性劑GC18-2-18溶液黏度均呈上升趨勢。條件相同時，當(dāng)濃度增大至0.5%時，溶液黏度達(dá)到最大，為26.98mPa·s。這是因為隨著陰離子雙子表面活性劑溶液濃度的提高，其溶液內(nèi)部締合形成的膠束結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，在濃度較低時，表面活性劑溶液的流變性與牛頓流體相似，溶液內(nèi)部形成的主要是球狀或棒狀膠束;當(dāng)濃度繼續(xù)增大時，表面活性劑溶液形成的膠束結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步增大，形成更為交錯緊密的尺寸更大的膠束結(jié)構(gòu)，從而使其黏度有所提高。陰離子雙子表面活性劑溶液tanδ值隨濃度的增大而減小，且tanδ<1，這說明增大溶液濃度，有利于其溶液彈性發(fā)揮;陰離子雙子表面活性劑GC18-2-18溶液具有良好的粘彈性及增黏性。在30℃，剪切速率7s-1條件下，考察了不同濃度的無機(jī)鹽NaCl、KCl、與有機(jī)鹽苯甲酸鈉、乙酸鈉對0.5%陰離子雙子表面活性劑GC18-2-18溶液黏度的影響，結(jié)果如圖2-2、2-3、2-4、2-5所示。結(jié)果表明，隨著NaCl濃度增大，GC18-2-18溶液黏度下降，當(dāng)添加無機(jī)鹽NaCl、KCl濃度為0.5%時，溶液粘度已由26.98mPa·s分別降低至7.96mPa·s與25.47mPa·s;隨著KCl濃度增大，陰離子雙子表面活性劑GC18-2-18溶液黏度呈現(xiàn)上升趨勢，在KCl濃度為0.5%時，溶液黏度達(dá)到25.47mPa·s，但相比最初的26.98mPa·s溶液黏度有所下降?？梢?，本實驗條件下，NaCl、KCl對0.5%GC18-2-18陰離子雙子表面活性劑具備協(xié)同增粘作用。

4 結(jié)論

考察了助劑對羧酸鹽陰離子雙子表面活性劑GC18-2-18溶液性能的影響，并得到以下結(jié)論：GC18-2-18溶液隨著濃度的增大其溶液粘度呈上升趨勢，當(dāng)濃度增大至0.5%時，溶液的黏度達(dá)到26.98mPa·s，同時粘彈性實驗表明其溶液均以彈性為主，體現(xiàn)出良好增粘性及粘彈性;KCl濃度變化對GC18-2-18溶液粘度影響不明顯;而增大NaCl、苯甲酸鈉和乙酸鈉的濃度，GC18-2-18溶液粘度均呈現(xiàn)快速下降的趨勢，至濃度0.2%時，NaCl對溶液黏度的影響基本趨于穩(wěn)定;其中乙酸鈉對黏度的影響最大，黏度可由起始26.98mPa·s降低3.28mPa·s;同時苯甲酸鈉與乙酸鈉對0.5%的GC18-2-18陰離子雙子表面活性劑不具備協(xié)同增黏作用。

參考文獻(xiàn)

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