表面活性剂的铺展过程.doc

2011年度软物理论文表面活性剂的铺展过程院 系： 理学院 物理系 专 业： 物理学 年 级： 2008级 学生姓名： 段石堂 学 号： 200802050131 时 间： 2011年 6月4日 摘要: 表面活性剂通过改变物系的界面状态进而改变其铺展、润湿及去湿等过程, 活性剂溶液的铺展过程呈现出复杂的指进现象, 并受多种因素的影响。从表面活性剂引起Marangoni效应、对可深入研究的方向进行了展望。关键词：分子结构、铺展、Marangoni效应引言表面活性剂，其分子结构均由两部分构成。分子的一端为非极亲油的疏水基，有时也称为亲油基；分子的另一端为极性亲水的亲水基，有时也称为疏油基或形象地称为亲水头。两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接，形成了一种不对称的、极性的结构，因而赋予了该类特殊分子既亲水、又亲油，便又不是整体亲水或亲油的特性。表面活性剂的这种特有结构通常称之为“双亲结构”（amphiphilic structure），表面活性剂分子因而也常被称作“双亲分子”表面活性剂是一类即使在浓度很低时也能显著降低溶液表(界) 面张力的物质, 当含有活性剂的液滴或溶液放置在固体表面或预置液膜表面上, 液滴或溶液将出现铺展(润湿) 或憎水(去湿) 现象。表面活性剂通过改变物系的界面状态进而影响铺展、润湿及黏附等过程, 该过程广泛应用于食品、石油化工、医药和生物领域 。如乳状液在食品制备的应用,固体泡沫的加工、印染、电镀、胶片生产中的涂层, 农药的自然乳化, 热张力成像的（thermote nsiography ) 过程以及医学领域用于治新生儿呼吸窘迫综合症的活表面活性剂是一类即使在浓度很低时也能显著降低溶液表(界) 面张力的物质, 当含有活性剂的液滴或溶液放置在固体表面或预置液膜表面上, 液滴或溶液将出现铺展(润湿) 或憎水(去湿) 现象。表面活性剂通过改变物系的界面状态进而影响铺展、润湿及黏附等过程, 该过程广泛应用于食品、石油化工、医药和生物领域。如乳状液在食品制备的应用, 固体泡沫的加工、印染、电镀、胶片生产中的涂层, 农药的自然乳化, 热张力成像( thermotensiography ) 过程以及医学领域用于治疗新生儿呼吸窘迫综合症的活性剂替代疗法表面活性剂之所以能得到广泛应用是因为表面活性剂能够吸附在各种表面上, 在大量的溶液中缔合并且形成胶束结构, 表面活性剂的作用来自于它们在不同界面处的吸附以及由此带来的界面张力的改变。形成胶束是表面活性剂的重要性质之一, 也是产生增溶、乳化、洗涤、分散和絮凝等作用的根本原因。向原溶液中添加表面活性剂可有效降低原液体的表面张力, 改变其润湿特性。表面活性剂的这种独特性质在油井作业中的多孔岩石残油回收中起到关键作用。目前,在表面活性剂技术的最新进展中, 提出了一种具有特殊性质和有助于在油田中应用的新型表面活性剂, 该表面活性剂具有形成粘弹性体系的能力,能够用这种粘弹性体系增加处理液的粘度, 而不造成地层损害。活性剂溶液的铺展过程可分为在固体表面或在另一种液体表面上的铺展。其中, 在固体表面的铺展实质上是活性剂溶液在固体表面形成一层液体薄膜的过程, 是以液/固界面代替气/固界面同时液体表面进行展开的过程; 而在另一种液体表面的铺展是指一种液体在第二种液体上展开,使后者原有的气/液界面被两者间的液/液界面取代的过程。铺展过程研究表明,在液/固、液/液铺展前缘呈现出复杂的指进现象(fingering),即液膜前缘表现为大量的分岔特征, 如图1所示。指进现象表明了铺展过程在时空方向上的复杂性, 而且实验和理论研究均已证明该铺展过程具有强烈的非线性特征。这种复杂性不仅与和活性剂本身的性质, 诸如活性剂种类、可溶性或非溶性、亲水性或疏水性、表面电荷大小和边界条件有关, 而且与活性剂浓度的关系也非常密切尤其当活性剂浓度超过其临界胶束浓度( critical mielcle concentration, 简称CMC ) 时, 此时, 活性剂溶液中的多个单分子( monomer) 将在溶液内部和界面上缔合成胶束(micelle), 使其浓度在内部和表面上的分布更加复杂, 并对其铺展历程产生不同程度的影响。因此, 深入研究活性剂溶液的铺展现象以及不同因素的影响规律就显得尤为重要。对于铺展过程的研究, 目前主要从铺展过程中的M arangoni效应、实验现象及特征、铺展液膜间的分离压效应、铺展理论模型建立及特征量演化方程等多个方面进行了大量而深入的分析, 下面主要从Marangoni效应进行阐述。1铺展过程中的Marangon i效应液膜或液滴的铺展过程属于自由表面的润滑流动过程, 其特点是雷诺数低, 表面积与其体积相比非常大, 这使得在气液界面上表面张力的作用非常重要。如果界面上存在表面张力梯度, 会产生剪切力使液体从表面张力低的区域流动到表面张力高的区域, 即Marangoni效应。Marangoni效应常常强烈地影响体系的流体流动及其热传递状态, 进而影响其传质过程, 并可改变传质界面的形状, 大量的实验证明由此导致的界面Marangon i流动可有效促进表面的更新。Marangoni效应根据其诱因不同, 可分为两种: 一种是热作用的Marangon i效应, 另一种是组分作用的Marangoni效应。前者是由于界面区域内的热不平衡(温度梯度) 造成的, 后者是由于界面吸附的不平衡(浓度梯度) 造成的。热不平衡状态造成的Marangon i效应既可是由体系中某组分的蒸发、溶解释放出潜热引起的, 也可以是由外部的温度梯度引起的; 浓度不平衡状态造成的Marangoni效应可以是由表面活性剂的相间转移造成的, 也可以是由体系中某组分的溶解或化学反应而引起的。表面活性剂的性质和特点对铺展过程的流动特性有着非常重要的影响。表面活性剂的分子一头含有极性(亲水性) 基团, 另一头含有非极性基团, 能够定向排列于两相之间的界面层, 从而降低界面的表面张力。当表面活性剂在溶液中的浓度很小时, 水溶液的表面张力会随表面活性剂浓度的增大而迅速下降。当表面活性剂浓度达到CMC 时, 几十个、几百个甚至更多的表面活性剂分子会相互聚在一起, 形成所谓的。胶束 或胶团 , 使水溶液的表面张力降到最低。此后如果继续增加表面活性剂的浓度, 水溶液的表面张力也不会增加。表面活性剂又可分为不溶性表面活性剂和可溶性表面活性剂。不溶性表面活性剂只能够吸附在液体和固体表面上, 而可溶性表面活性剂在低于CMC 时,在液体表面和内部同时以单分子形式存在, 而在高于CMC 时, 在液体表面、液体内部以及预置液膜表面, 均有可能形成胶束结构, 并且单分子还存在动态的吸附与解吸附过程、单分子与胶束间的缔合过程。另外, 温度变化还会影响表面活性剂的溶解情况。自20世纪六、七十年代始, 众多学者开始致力于Marangoni效应对薄液膜流动的影响的研究,并已有大量文献介绍这方面取得的研究成果。其中Bankoff 考虑了界面存在蒸发对液膜流动的影响, Dav is考察了热毛细力对液膜稳定性的影响, W itt等研究了存在非溶性表面活性剂时液膜的演化方程及M arangon i效应的影响, Jensen和G rotberg则研究了存在可溶性表面活性剂时液膜的演化方程,Edmonstone 和Matar研究了由温度和浓度耦合引起的Marangon i效应对非溶性表面活性剂液膜铺展过程的影响。国内研究多侧重于热效应引起的Marangoni效应对液膜流动及传热传质的影响: 叶学民和阎维平研究了存在蒸发或冷凝时, 热毛细力对液膜波动稳定性的影响, 李冬梅研究了Marangoni效应与液膜振荡现象的关系, 胡军等对薄膜沿均匀加热平板的下落过程进行了数值模拟。而涉及表面活性剂对液膜流动特性影响的研究较少,主要集中在分析表面活性剂胶束对分散体系粘度的影响、或者通过添加不同种类的表面活性剂时, 液膜表面张力改变所引起的Marangoni效应、以及热质传递过程中的Marangoni效应,马学虎等通过实验方法考察了表面活性剂改变液体表面张力后垂直降膜厚度的变化情况2.发展前景表面活性剂溶液的铺展过程一个极其复杂的现象, 这不仅表现在影响因素和边界条件的复杂性, 而且也更表现在溶液内部结构的多样性, 因此活性剂溶液铺展过程的研究仍然需要进一步完善。( 1) 在现有的活性剂溶液铺展过程研究中,其演化模型引入的分离压模型仅考虑铺展液膜厚度h的影响, 而未计及铺展前缘倾斜角度hx的影响, 因此,严格地来说, 所建模型不适于铺展液膜厚度趋于0的情形。而实验表明, 活性剂溶液,尤其在高浓度乃至达到或超过CMC、溶液内形成胶束结构时, 其铺展前缘呈现复杂的非均匀结构,并包括大量的液膜厚度趋于0 的前缘, 因此,如何引入合理的分离压模型, 进一步完善非均匀铺展演化模型值得深入研究。( 2) 目前已有的分离压模型均未考虑活性剂浓度和特性对分离压的影响,尤其是浓度对分子间引力和斥力的不同作用, 有可能导致润湿效应(正的分离压) 和去湿效应(负的分离压) ,从而引发液膜加速铺展或者产生憎水现象, 如何建立考虑受活性剂浓度和特性影响的分离压模型, 并将该模型引入液膜厚度和浓度演化方程组,分析分离效应在铺展过程中的独特作用, 也需要进一步充实和完善。( 3) 当活性剂特性和浓度不同时, 如活性剂的可溶性程度、浓度是否超过CMC 等, 将在溶液内部形成不同的典型结构。对于高浓度活性剂,将形成以液膜厚度、表面单分子浓度和溶液内单分子浓度为特征的并存局面; 当浓度高于CMC时,单分子将缔合成胶束,形成单分子和胶束并存的典型特征,此时演化方程为四方程演化模型,或者以液膜厚度、在液膜表面、溶液内部和预置液膜表面均存在的单分子浓度和胶束浓度为特征量的七方程模型。七方程模型与四方程模型的演化历程有何区别,以及分离压效应在这种更为复杂条件下铺展过程中的作用, 这方面的研究也需要进一步深入和完善。参考文献 1 Troian SM, WuXL, Safran SA. Fingering instability inth in wetting films J. Phys. Rev. Lett, 1989, 62( 13): 1496- 1499. 2 Edmonstone BD, MatarOK. Simultaneous the rmal andsurfactantinduced M arangon ieffects in th in liquid films J. J. colloid and interface science, 2004, 274 ( 1) :183 199. 3 Edmonstone B D, MatarOK, Craster RV. Surfactantinduced fing ering phenom ena in thin film flow down an inclined plane J. Phy sica DNonlinear Phenom ena,2005, 209 ( 1- 4): 62- 79. 4 德鲁迈尔斯. 表面、界面和胶体- 原理及应用M .北京: 化学工业出版社, 2004. 5 王世荣, 李祥高, 刘东志. 表面活性剂化学M . 北京: 化学工业出版社, 2005. 6 舒成强. 用生物表面活性剂提高采收率的试验研究 J. 国外油田工程, 2005, 21 ( 5): 1- 5. 7 Troian SM, Herboh lzhe im er E, Safran S A. M odel forthe fingering instab ility of spreading surfactant drops J. Phys. Rev. Lett, 1990, 65 ( 3): 333. 8 沙勇, 成弘, 余国琮. 质量、热量传递过程中的Ma