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胶粒的双电层理论及应用 高分子化学与物理 曹佳乐 2014.04.09 胶粒的双电层 理论及应用 乳胶粒的形成 与结构 电解质对双 电层的作用 胶体颗粒表面 双电层之间 的相互作用 机理 稳定 与絮凝 同种电荷 胶体颗粒 相互作用 异种电荷 胶体颗粒 相互作用 乳胶粒的形成与结构 v乳胶粒：在乳液聚合时，单体进入由乳化剂形成的 胶束后经引发剂引发聚合后产生的胶体粒子。 v胶粒结构： v电位离子+反离子=双电层 v胶体表面电位离子通过静电作用将溶液中的带相反 电荷离子吸附到乳胶粒周围 v反离子层： v反离子吸附层 （stern层） v能同胶核一起运动的部分反离子由于靠近胶核，吸 附较牢。 v反离子扩散层 v反离子离胶核稍远不随胶核一起运动。 v胶核表面上的电位称为热力学电位，而在扩散层表 面处的电位称为（zeta）电位。 v电位只有在固液两相发生相对移动时才能呈现出来 . v电位的大小反映了胶粒带电的程度, 其值越高表明 胶粒带电越多, 扩散层越厚. v双电层稳定原因： 在双电层中建立了静电力和扩散力之间的平衡。形 成双电层后由于相同的乳胶粒具有相同的电荷，而 相同的电荷相斥，所以乳胶粒能稳定地悬浮在水相 中。电位越高，乳液就越稳定。 电解质对双电层的作用 v紧密层：一般很薄，只有单层或数层离 v反离子扩散层：却很厚，其厚度与溶液中的离子强 度有关，离子强度越大，厚度越小，而高价离子对 扩散层厚度影响更大，当扩散厚度减小时，电位也 随之降低，稳定性降低。 v其原因：电解质对扩散层有压缩作用（直接压缩 ； 进一步把反离子压缩进紧密层，电位降低，扩散层 厚度降低。） v离子强度：电解质的浓度，离子价数 v高价离子：可以进入乳胶粒的扩散层和紧密层，置 换出低价离子，使双电层的离子数目减少而压缩扩 散层，降低电位。 v结果： v由于直接压缩，以及高价离子的离子交换和吸附作 用。扩散层减小，电动电位降低，直到使全部反离 子都由扩散层进入紧密层，电动电位降为零。 v这时胶团的吸附层中正负电荷相等，胶团变为电中 性，达到等电状态（等电点），消除了水乳胶体系 的稳定性。 稳定与絮凝 v胶体的稳定因素：动力学稳定性、溶剂化稳定、表 面带电（双电层）。 v高价电解质或电解质的浓度足够大，使胶粒扩散层 压缩， 电位降低，胶粒间排斥作用就减弱，这时 胶粒之间就会发生凝聚。 v当为零时（等电点），乳胶粒最不稳定，凝聚作用 最剧烈，这就是用絮凝剂对乳液进行絮凝的机理。 v废水处理常用的絮凝剂： v 无机盐类：硫酸铝、明矾、三氯化铁水合物 v 无机盐类聚合物：聚合氯化铝(PAC) 、聚合硫酸 铁 v 有机类化合物：如高聚合的聚丙烯酸钠，聚乙烯 吡啶、聚丙烯亚胺，聚丙烯酰胺等 vPS:絮凝过程是比较复杂的物理、化学过程，迄今 为止还没有一个统一的认识（电荷中和作用、吸附/ 架桥作用 ）。 带同种电荷胶体颗粒双电层相互作用 v影响因素： v双电层之间的相互作用受胶体颗粒表面性质和胶体 颗粒周围溶液两方面因素的影响。 v研究不同价态组合型电解质(如1价阳离子1价阴离 子，1价阳离子2价阴离子)对双电层相互作用的影 响时发现 ： v同号离子比反号离子对双电层相互作用的影响要 大，尤其是高价态的同号离子在表面电位高时影响 更大。 v相同价态的同号离子对双电层相互作用的影响差 异不大 v双电层相互作用的程度随电解质浓度的增加而减 小。 v随着两带正电荷平面之间距离的减小，双电层相 互作用力会急剧地持续增加，而且总是表现为相互 之间的排斥力。 带相反电荷胶体颗粒双电层相互作用 v胶体颗粒表面所带的电荷有正电荷和负电荷之分， 而且在一定条件下带相反电荷的胶体颗粒可以共存 于相同体系中，这种现象在自然界普遍存在。 v如热带、亚热带地区的可变电荷土壤。 v由于这类土壤中含有带负电荷的高岭石和带正电荷 的铁铝氧化物，它们所带电荷相反，当共存于相同 体系时它们表面的双电层会发生相互作用，并对胶 体性质产生影响。 v带相反电荷胶体颗粒之间相互作用与胶体团聚行为 的关系是人们关注的热点。 v机理：由于静电引力的作用，带相反电荷的胶体颗 粒相互靠近，导致胶体颗粒表面双电层的扩散层发 生部分重叠，从而降低胶体颗粒表面的有效电荷密 度。 v化学胶体领域应用： v利用带相反电荷胶体颗粒之间的静电吸引力作用 ，将带相反电荷的胶体颗粒在一定条件下混合制成 分子膜(LB膜），这种膜的稳定性取决于带相反电 荷胶体颗粒的相互作用程度。 vFrank根据带相反电荷胶体颗粒之间的静电作用， 通过自组装制成双层胶囊形的纳米材料，其形成过 程类似于胶体颗粒之间的团聚行为。 vAntonio等研究带相反电荷胶体颗粒发生团聚时，内