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
38
12-2-12水溶液冷冻电镜
A-0.26%
B-0.5%
C-0.62%
D-0.74%
39
12-2-12水溶液冷冻电镜
E-1.0
41
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
26
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
28
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。
12
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.
30
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。
3
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 )。