界面化学北京化工大学第七章不溶物表面膜

1、第七章第七章 不溶物表面膜不溶物表面膜7.1 简介简介7.2 不溶物表面膜的制备不溶物表面膜的制备7.3 表面压、表面电势和表面粘度表面压、表面电势和表面粘度7.4 A曲线与不溶膜类型曲线与不溶膜类型 7.4.1 不溶膜的类型 7.4.2 膜性质和状态的影响因素7.5 Langmuir-Blodgett薄膜（薄膜（LB膜）技术与膜）技术与 LB膜膜7.6 不溶膜上的化学反应不溶膜上的化学反应不溶膜上的化学反应不溶膜上的化学反应7.1 简介简介 随两亲分子疏水基变大，它在水中的溶解度降低而表面活性增强。即：它在溶液表面和内部的分布上更偏向于在表面上。当两亲分子的疏水基大到一定程度，在水中的浓度便

2、小得可以忽略。此时两亲分子的表面定向层可以通过在水面上铺展的方法形成表面膜，称之为铺展膜。它和吸附膜一样也是定向单分子层，其热力学和吸附膜是一样的，常称之为不溶膜（insoluble film）或不溶物单分子层（insoluble monolayer）。 不溶膜是界面化学中既古老又年轻的领域。 1765年，Benjamin Franklin发现4mL油在大风天可使约3亩水面波浪平服。后人认为此时的油膜厚度为20 单分子膜 这方面最早的定量实验是著名科学家Rayleigh 1890年做的。 指出用油酸展开在水面可以制止樟脑在水面上的“跳舞”。他研究了水的表面张力随加油量的变化，油量极少时，水的表

3、面张力并无明显降低；油量增至一定程度时，则突然下降，再多加油也不再有显著变化，从油量和所占面积计算，估计油层可能是一个分子厚(约1.6nm)。 1891年Pockels女士设计了第一个研究不溶膜的装置，发现当成膜分子平均占有面积大于0.20 nm2时，带有脂肪酸膜的水表面张力很少变化，再减少成膜分子的平均面积则表面张力显著降低。表面张力的转变点叫做Pockels点。 其使用的刮膜法一直沿用至今。 1917年Langmuir在前人的基础上在实验方法和理论上皆予以发展，又经Adams, Harkins等人的系统工作，开辟了表面及胶体科学的新领域。7.2 不溶物表面膜的制备不溶物表面膜的制备主要是溶

4、剂铺展法： 先制成铺展溶液铺展溶液，将其均匀滴加在底液底液上使之铺展，经挥发除去溶剂后，在底液表面上形成单分子膜。铺展溶剂的条件 对成膜材料有足够的溶解能力 具有在底液上良好的铺展能力（低） 低密度 (低于底液), 易挥发成膜材料：(1) 大的疏水基团（C16）包括长CH链和芳香基团的两 亲分子，主要用石油醚做铺展溶剂，也可用混合溶剂。 有时也用苯（特别是对芳香族成膜物质）但易残留。(2) 天然的和合成的高分子化合物，特殊方法成膜注意事项：（1）适当浓度，过高易形成缔合结构，妨碍成膜；过低又不利于成膜操作。（2）保持液面清洁 7.3 表面压、表面电势和表面粘度表面压、表面电势和表面粘度 如果用

5、一浮片将水面上有膜和无膜区分开，由于两区表面张力不同，浮片从两方所受的收缩液面的力不同。其合力方向是从有膜区指向无膜区。这就是不溶膜的表面张力。 表面压是膜分子对单位长度浮片所施的压力，其数值等于表面张力的降低 = 0 1917年Langmuir 改进了Pockels的装置，发展出了膜天平，可以测定表面压随膜面积的变化（此装置一直沿用至今）。表面压：表面压：表面电势：表面电势：有膜和无膜条件下两相间电势差的差值V=Vm V0Vm, V0分别代表有膜和无膜时两相间的电势差测定方法：空气电极法和振动电极法得到信息：得到信息：（1）分子定向： V=4n/D+ 0n是单位面积的偶极数，D：介电常数，0

6、 ：带电基团层电势 ：垂直于界面方向的偶极矩（2）膜的结构（3）检测膜的不均匀性和表面反应速度表面粘度：表面粘度： 由于膜的存在而引起的表面层粘度的变化。表面粘度表征膜对液体表面粘滞性质的影响。 包括表面扩展粘度和切变粘度，前者在许多实际问题中有重要应用，但研究较少。测定方法：沟法和扭摆法应用（1）膜状态 （2）膜分子间相互作用 （3）监测化学反应（如聚合）切变粘度 fs = ld/dxl是线元的长度，x两线元间的距离，d/dx速度梯度f作用于表面上二线元的力7.4 - a曲线与不溶膜类型曲线与不溶膜类型a气态膜气液平衡区液态扩张膜凝聚膜a：成膜分子 平均占有面积 （一）气态膜（G）：每个分子

7、平均占有面积很大（40nm2）表面压很低（0.5mNm-1）膜具有良好的压缩性若分子间作用可忽略(理想情况下)：a = kT （ k：Boltzman常数)实际上(aa0) =ikT a0：成膜分子的独立面积，即其它成膜分子无法进入的面积 i： 调节系数（二）二度空间气液平衡膜（LG）： 膜不均匀。 “成膜分子聚集的小岛存在于自由运动的单个分子的海洋之中”。（三）液态扩张膜（Le）： 膜本质是液态的，但其压缩性比三维空间的液体大得多。液体密度比固体小不了多少，可Le面积是固态膜2-3倍。开始时膜的压缩率变小，随面积减小，膜压显著上升。指示成膜分子已相当靠近。有明显的侧向相互作用。常用(+0)(

8、aa0) = kT a0和0是两个常数， a0约等于分子面积的2倍。Langmuir指出，对于直链脂肪酸同系物， 0值为11.2mN/m。（四）转变膜（I）： 是液态扩张膜与凝聚膜间的过渡区域，液态扩张膜面积减小到一定程度，- a曲线会出现突然转折，表面膜进入另一种状态，被称作转变膜或中间膜。 转变膜具有不均匀性及显著高于液态扩张膜可压缩性。（五）液态凝聚膜（Lc）： 对转变膜进一步压缩，单层将进入第一个真正的凝聚状态-液态凝聚膜。 膜压缩系数比Le、I小得多，但比固态膜大得多；分子平均面积比固态膜大20，Adams、Langmuir 认为这种膜是在极性基之间多少带着一些水的半固态膜。分子的碳

9、氢基排列与油中相似。（六）固态凝聚膜（S）：再进一步压缩通常得到一压缩率非常低的表面相。密度较大，压缩率非常低。分子的疏水基团排列紧密，类似于晶体。 对固态膜继续压缩最终导致膜破裂。 此时可观察到压缩膜面积时膜压不变以至降低的现象。 此恒定或最大值叫做膜的破裂压。 若条件控制好，可有较好的重现性。 破裂压高低反映膜的强度。影响膜的性质和状态的因素影响膜的性质和状态的因素（1）分子大小的影响：同系物，分子量越大，膜越凝聚（2）分子结构的影响：成膜两亲分子的碳氢链上若带有不饱和键或极性集团，形成的膜将更为扩张。（3）底液成分影响：pH；常见的是加入无机电解质。 （1）对于离子型的两亲分子，通常使膜

10、凝聚 （2）对于非离子型的两亲分子则使膜更为扩张，这可能是因为成膜分子的极性基与少量无机离子结合，使成膜分子产生电性排斥作用。（4）温度的影响：一般的规律是温度升高使膜变得更为扩张（七）混合不溶膜定义：混合不溶膜是指两种或两种以上成膜物质组成的不溶膜意义（1）生物膜都是含有多种化学物质的混合膜（2）不溶膜是LB膜的基础，而只有相当凝聚的不溶膜才能应用LB技术一层一层地组装起来，实现所要求的功能。但并非所有分子都能铺展成膜，许多具有特定功能的分子不具有成膜能力： 特定功能的分子良好成膜性成分形成混合膜（1）理想混合膜 a = xiai 混合膜中不同分子间的相互作用与同种分子间的相同。（同系物、同

11、电性混合物）（2）显示协同效应的混合膜 a xiai 表明： 1）两种分子或离子间相互作用强于同种分子（至少对一种成分）的作用 2）比理想膜更凝聚。 三种作用机制： A、离子型非离子两亲分子混合体系 B、成膜分子间形成氢键：脂肪酸脂肪醇 C、分别带有正、负电荷的两种成膜分子混合成膜（3）例外：理想相分离， 如CH/CF两亲分子所形成的混合膜7.5 研究不溶膜的光学方法研究不溶膜的光学方法全反射装置：在不溶膜的上下分别安置两面互相平行的镜子，调节好镜面间的距离，使入射光经镜面全反射而反复多次穿过不溶膜，增加光吸收量以便检测（由于不溶膜具有单分子层特点，光线每次通过界面所产生的光吸收量极为微弱，给

12、测定带来困难）。（一）光吸收：表面光谱仪全反射附件反射光谱：光路不经过水底相，故测定结果不受溶解在 底相中分子的影响 椭圆光度法 Brewster角法（二）光反射 将带有疏水链的荧光活性染料，以很小分子比例（如1）加到不溶膜中，通过荧光物质“溶解”在较凝聚的表面相中而产生的荧光强度差异，观察、了解不溶膜表面的结构和形貌。（三）荧光显微镜：7.6 Langmuir-Blodgett薄膜（薄膜（LB膜）技术与膜）技术与 LB膜膜 在适当条件下，不溶物单分子层可以通过非常简单的办法转移到固体基质上，并且保持其定向排列的分子结构，这就是半个世纪以前由Langmuir和学生Blodgett（女）首创的膜

13、转移技术。根据此技术首创者的姓名，今人称之为LB技术。近20年来，利用此技术进行分子组装，发展新型光电子材料，智能材料成为高新技术发展的一个热点。LB膜成膜原理膜成膜原理 LB膜材料在亚相上的展开机理 典型的LB膜材料及有序单分子层的形成 亚相液面上单分子膜的特征参数及状态 将一定量的微溶物或不溶物B置于液体A上（在LB膜方法中，A称为亚相），使其开始时以适当的厚度存在要使成膜材料在亚相上自发展开，必须将具有低表面张力的液体放在高表面张力的液体上。反之，高表面张力的液体预期不能在具有低表面张力的液体上展开 由于表面成膜物称重很不方便，所以制备LB膜的一般方法是将极其微量的成膜材料溶于挥发性溶剂

14、中，然后滴于亚相表面上，展开成膜。当溶剂挥发后，留下单分子膜。这种挥发性溶剂在亚相水面上的展开系数必须大于零，才能使铺展得以进行。例如，氯仿、苯等便是满足此条件的溶剂。 LB膜材料在亚相上的展开机理膜材料在亚相上的展开机理典型的典型的LB膜材料及有序单分子层的形成膜材料及有序单分子层的形成 LB成膜材料必须具有双亲基团（也称作两性基团），即亲水基团和疏水基团，而且亲水基团和疏水基团的比例应比较合适。 如果作为分子的整体亲水性强，则分子就会溶于水，如果疏水性强，则会分离成相。 正是这种既亲水又疏水的特殊的LB膜材料，才能够保持“两亲媒体平衡”状态，它可以在适当的条件下铺开在液面上形成稳定的单分子

15、膜，而又不凝聚成单独的相，从而可以直接淀积于基板上形成LB膜。可见亲水基和疏水基的具备对于LB膜的形成具有重要意义。常见的亲水基和疏水基 亲水基：-COOK，-SO4Na，-COONa，-SO3Na， -N(胺) ，-COOH，-OH等 疏水基：-CH2-，-CH3=CH-，-CH2-CO-CH2-， -CF2-，-CF3等 先将两性成膜材料溶解到诸如氯仿等有机溶剂中，再将其滴注到亚相液面上，待亚相液面上的溶剂挥发后，具有双亲基团的分子便留在液面上。 亲水与疏水共同作用的结果是：在液面上形成单分子层，亲水基团位于靠近水的一侧，而疏水基团则位于空气的一侧 当用挡板对亚相液面上的单分子层进行压缩时

16、，由于亲水基团和疏水基团的作用，就使得分子一个个整齐地“站立”于亚相表面上，从而形成了整齐有序密集排列的单分子层 LB膜的淀积方法膜的淀积方法 （1）垂直提拉法 （2）水平提拉法 （3）单分子层水平转移技术 （1）垂直提拉法 利用适当的机械装置，将固体（如玻璃载片）垂直插入水面，上下移动，单分子膜就会附在载片上而形成一层或多层膜。 （2）水平提拉法 在拉膜前，首先将固体载片上涂敷一层硬脂酸，然后将其水平接触液面上的单分子层膜（如图所示）。同时将挡板置于固体载片两侧，提拉固体载片。重复此过程，就可形成X型LB膜。它可以很好地保留分子在液面上的凝聚态和取向。 LB膜技术的优点（1）膜厚为分子级水平

17、（纳米数量级），具有特殊的物理化学性质；（2）可以制备单分子膜，也可以逐层累积，形成多层LB膜或超晶格结 构，组装方式任意选择；（3）可以人为选择不同的高分子材料，累积不同的分子层，使之具有 多种功能；（4）成膜可在常温常压下进行，不受时间限制，所需能量小，基本不 破坏成膜材料的高分子结构；（5）LB膜技术在控制膜层厚度及均匀性方面远比常规制膜技术优越；（6）可有效地利用LB膜分子自身的组织能力，形成新的化合物； LB膜结构容易测定，易于获得分子水平上的结构与性能之间的关系。 LB膜技术的缺点（1）由于LB膜淀积在基片上时的附着力是依靠分子间作用 力，属于物理键力，因此膜的机械性能较差；（2）

18、要获得排列整齐而且有序的LB膜，必须使材料含有两 性基团，这在一定程度上给LB成膜材料的设计带来困 难；（3）制膜设备昂贵，制膜技术要求很高。 （1）可以一层一层的排列到固体表面（2）具有短期稳定性，熵减过程（3）绝缘性好：1MV/cm /单层电阻（4）耐压性好：100V/100个单层（脂肪酸膜）（5）导电性的各向异性LB膜特点膜特点7.7 不溶膜上的化学反应不溶膜上的化学反应意义：（1）许多生命过程中重要的化学反应都是在膜上进行的（2）通过不溶膜上的反应可以在表面形成一层由纳米颗 粒构成的粒子化膜，是制备纳米粒子的一种有效方 法（1）应用膜天平研究化学反应（表面压，表面面积） （2）应用表面电势研究化学反应研究方法：(1) 平衡常数： 已知许多化学反应在膜上进行的平衡常数与在溶液中的相同，但在不溶膜体系中表面浓度与体相浓度往往不同，甚至不成比例，因此导致化学反应平衡位置移动。于是，一些在溶液内部不能完成的反应在界面上却可以完成。也就是说，即使平衡常数相同，反应在表面上进行时将得到更多产物。 影响膜上化学反应的因素：(2) 膜上反应速度受三种速度的制约： a、反应物到达界面速度 b、界面对反应速