软物质导论-简介

1、胶体摘要：胶体广泛存在于我们周围的世界。许多食物中含有胶体，甚至于我们身体的组成部分也包含很多胶体粒子。研究胶体的性质对我们的日常生活有很重要的指导意义。本文对胶体的类型，作用力和特征进行了探讨。胶体的种类主要包括溶胶，凝胶，粘土，泡沫和乳状液。本文对这些不同类型的胶体也进行了阐述。关键词：胶体；类型；作用力；特征; 稳定性ColloidsLI ChenAbstract: The world around us is full of colloids. Many foods contain colloids, even the very stuff we are made of also co

2、ntains colloidal particles. It has a very important guiding significance in our daily lives to study the colloidal properties. The types, forces and characterization of colloids are investigated in this paper. The kinds of colloids mainly have sols, gels, clays, foams and emulsions. These colloids a

3、re also introduced in detail.Keywords: colloids, type, force, characterization, stability1 引言什么是胶体? 这个名词首先是由英国科学家Grabam于1861年提出的。实质上，胶体只是物质以一定分散程度存在的一种状态，称为胶态，犹如气态、液态和固态，而不是一种特殊类型的物质。胶体普遍存在于自然界中，它时刻与我们接触，与人类的生活有着极其密切的联系。江河湖海中，工业废水是最广泛存在的胶体，为了保护水源，净化水质，提取贵重元素，变废为宝，就要研究胶体的形成和破坏。蔚蓝色天空中的大气层是由水滴和尘埃等物质分散在

4、空气中的胶体构成的，对它的研究在环境保护、耕耘、人工降雨等方面具有重要的意义。人体各部分的组织都是含水的胶体，所以要了解生理机能、病理原因和药物疗效等都要根据胶体的研究成果。人类赖以生存的不可缺少的衣(丝、棉、毛皮、合成纤维)、食(淀粉、脂肪、蛋白质)、住(木材、砖瓦、陶瓷、水泥)、行(合金、橡胶等制成的交通工具)无一都不与胶体有关。因此，弄清楚胶体的种类和形成机理是极其重要的。2 胶体类型 烟，云，雾是气溶胶，烟水晶，有色玻璃、水晶是固溶胶，蛋白溶液，淀粉溶液是液溶胶。除了这些简单胶体外，胶体还包括缔合胶体（双亲化合物），大分子胶体，聚合物溶液，网状胶体和多重胶体。3 胶体粒子之间的力胶体是

5、一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子间的相互作用主要是短程作用力。胶体粒子间的力主要包括范德华力和双电层力。3.1 范德华力 范德华力产生于分子中的电偶极子之间的吸引力。胶体粒子之间的范德华力吸引可认为是产生于分子中的每个粒子之间的分散吸引力。为计算实际吸引力，总电势由分子对间的电势的总和。在这个近似值中，分子对间的吸引力是通过由未被其他存在的分子所吸引来估计，如可以忽视多体吸引力。最后所产生的电子对总和可以通过在超过粒子体积的粒子1中的一个微小体积dV1和在粒子2中的一个微小体积dV2中合并分子的对势（公式1）。产生的电势由胶体粒子的形状和在粒子的分离中所决定。如在真

6、空中两个无限平坦的表面上分离距离b，单位电势为 V = （1） AH是哈默克常数，这决定了胶体粒子间的范德华吸引力的影响强度。值得注意的是胶体粒子间的吸引电势降低的并不比单个分子间的分散吸引力要多。从而，胶体粒子间的长程力对其稳定性很重要。 对半径为R的两个球形半径来说，颗粒间距离很小（bR），Derjaguin 近似值可与两个曲面之间的两个平坦表面的电势相关。可将等式（1）修饰为 V = （2）3.2 双电层力此时需考虑溶液中带电荷的胶体粒子周围的电势。带点粒子在表面会吸引抗衡粒子，就是说离子氛就周围形成。这趋向于在胶体粒子中分开靠近带有表面电荷的电层的一个电层，这样就产生了一个双电层。在扩

7、散双电层模型中，离子氛被认为是两部分组成。靠近胶体粒子，抗衡粒子占优势是由于强的静电力。远离粒子的离子被认为是组织的更加分散，按照电力量的平衡且产生随机热运动。在这个外弥散性区域，随着离表面越远抗衡离子的浓度越低。在斯特恩模型中，在平衡离子氛的内部区域和外部弥散性区域之间的界面是一个尖锐的平面（斯特恩平面），内部区域组成的一个平衡离子的单个电子层被称为斯特恩层。4 胶体的特征4.1流动性胶体的流动行为对它们的很多应用很重要。就日常生活中的例子而言，人造黄油在杯中是硬的但当在刀的压力下随着黄油在面包上滑动是流动的。胶体系统的结构和动态复杂性导致流变现象的多样性。4.2 粒子形状和大小考虑到胶体溶

8、胶，不连续的胶体粒子在液体中分散。溶胶粒子可以有三维（球样），二维（棒状）或一维（板样）形式。这些结构的例子包括可从聚合物乳状液的胶乳粒子中获得的高单分散性球状粒子及在粘土的结构基础上的水溶液中的胶结材料、石棉、板样颗粒中的针状形状胶体粒子的分散液。胶体粒子的大小可用很多方法测量。由于分辨率的限制，光学显微镜对胶体粒子的直接观察是不适用的，但扫描或透射电子显微镜是很适当的。沉降法可以被胶体粒子在重力的作用下被用来沉淀。颗粒计数方法如库尔特计数器提供了粒子体积的大小。散射技术被广泛用来测定胶体粒子的形状和大小。在小角度的情况下散射强度的角的依赖性提供粒子大小和形状等信息。4.3 电动力学的影响如

9、果胶体粒子带电，在分散流动行为下电场有很深刻的影响。这给出了许多的电现象。在电泳分离法测量中，在静止液体中有电场引起的带点胶体粒子的速率的测定，从流动性可得到： u = （3）此处，v是粒子速率，E是电场强度。 沉降素的的测量包括相反的效果，即当带点粒子在静止液体中移动时电场强度的测量。Zeta电位Zeta电势在静止溶液和移动的带电胶体粒子间间的表面是可能的。这个表面定义为剪切面。它的定义有些不是很精确是因为移动的带电粒子将有连接到一定数量的抗平衡离子，合并的流动对象被定义为电动装置。胶体悬浮液的稳定性经常诠释为Zeta电位，因为这比表面电势更方便，它所描述的是双电层间的排斥相互作用。休克尔-

10、斯莫路柯维斯基 方程 这是对电泳过程中的胶体分散的流动方程限制的解决方案 。在极限情况下，带电胶体粒子足够小被认为是在未受到搅动的状态下电场（kR1）中的点电荷，休克尔方程能被应用到。在另一方面，如果胶体粒子的半径是很大的，当平面带电表面暴露在流动的液体中时是相接近的。我们同样也能估计到双电层厚度k-1很小时，以致于kR1。在这种极限情况中，斯莫路柯维斯基方程提供了稳定性的解释。亨利方程对任意双电层厚度的球状粒子，亨利方程是休克尔方程的归纳。 u = f（kR） （4）在稀溶液中的非常小的粒子，1/k很大以致kR0且在极限情况下f（kR）=1，适用休克尔方程。在大粒子的极限情况下f（kR）=1

11、.5，适用斯莫路柯维斯基方程。亨利方程应用于两者之间的情况。5 电价稳定性5.1 带电胶体 在很多胶体系统中，包括粘土和溶胶（带电乳胶或二氧化硅微粒），静电的相互作用是很重要的。电解质的浓度和性质同样对带电胶体分散的稳定性有显著的影响。带电双电层产生于一个带电胶体粒子周围的抗平衡离子氛。在带电双电层中电势的衰减由德拜屏蔽长度控制，与电解质浓度有关。静电作用并不仅仅对胶体分散的稳定性有作用，对通过离子型表面活性剂头基间的乳化也有影响。5.2 DLVO理论此理论考虑了双电层（同种带电粒子的排斥作用）和长程范德华力间的力。总势能表示为： V= VR + VA (5)VR是由于在胶体粒子上双电层的重叠

12、引起的排斥势能，VA是吸引的范德华能。5.3 临界凝聚浓度当电解质加入到胶体悬浮液中，粒子周围的双电层厚度压缩导致双电层力的范围减少。絮凝可发生在电解质浓度中以致排斥的双电层吸引力是显著减少到是吸引力占主导地位。这发生在临界絮凝浓度（c.c.c)。对于一个在25的水溶液分散系，即： c.c.c. = mol / dm3 (6)6 空间位阻稳定性胶体分散系的空间位阻稳定性来自具有长链分子的胶体粒子。当胶体粒子接近另一个粒子时（如布朗运动），聚合物链的极限穿透性产生一个能稳定分散制止絮凝的一个有效的斥力。空间位阻稳定性与电荷稳定性相比有以下优势：1. 粒子间的排斥力并不依赖于电解质浓度，相比于电荷

13、稳定的胶体，它的双电层厚度对粒子强度非常敏感，尽管在水溶液中通常用到电荷稳定性，但空间位阻稳定性在非水和水介质中都有影响。2. 空间位阻稳定性在一个宽范围的胶体浓度内都能起作用，而电荷稳定性大多在低浓度中相比其作用。7 聚合物对胶体稳定性的影响正如聚合物链能够吸附在单个胶体粒子上，在低浓度条件下，一个聚合物链的不同部分能够吸附在两个不同的胶体粒子上，这导致了所谓的桥接絮凝。聚合物桥迫使胶体粒子在一起，从而导致了絮凝。对桥接絮凝的发生，两个重要的条件必须满足：1. 聚合物絮凝必须有足够的摩尔分子量以致链至少足够长来跨越颗粒间分离的范围。聚合物桥接需要的摩尔分子量将会依赖电解质浓度。因为浓度越高，

14、双电层越薄，因此剪短聚合物来诱导架桥絮凝。2.吸附的聚合物链的表面覆盖不能完全，是为了考虑到当布朗碰撞发生时，可以吸附一个或更多链的片段，从而连接到其它分子。8 动力学性质 胶体粒子进行布朗运动。这种运动与动力能的稳定性有关。9 溶胶 溶胶是固体颗粒分散在液体中且具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之间。10 凝胶凝胶是具有固体特征的胶体体系。溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体（在干凝胶中也可以是气体），这样一种特殊的分散体系称作凝胶。凝胶中分散相的含量很低，一般在1%-3%之间

15、。没有流动性，内部常含有大量液体。例如血凝胶、琼脂的含水量都可达99%以上。在流变方面，凝胶是宾汉流体即剪切应力与剪切速率呈线性关系，但只有当剪应力大于屈服剪应力时才开始流动，流体在静止时存在凝胶结构。凝胶分为弹性凝胶和脆性凝胶。弹性凝胶失去分散介质后，体积显著缩小，而当重新吸收分散介质时，体积又重新膨胀，例如明胶等。脆性凝胶失去或重新吸收分散介质时，形状和体积都不改变，例如硅胶等。11 粘土 粘土是一种重要的矿物原料。它们由于受到范德华力或氢键而堆叠成层状结构。粘土遇水一般可以膨胀，但也有例外，例如云母。粘土矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石、水铝英石等。其中蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成

16、的矿物，其晶格单元由两层硅氧四面体层夹一层氧化铝八面体层构成，层间联接依靠范德华力，较弱，水分子容易进入晶胞之间，增大晶胞距离，脱水后，又产生相应的收缩；在晶格之间，由于同晶置换作用，使蒙脱石具有很强的吸附能力，大量的Na+、Ca2+填充进来，产生双电层效应，导致粒间的膨胀。相似的，伊利石也具有2：1的三层晶体结构，但其吸附的阳离子主要为Na+、K+，晶格间连接力较强，水分子不容易进入，所以伊利石亲水性、胀缩性不如蒙脱石。伊利石属于较不稳定的中间产物，性质介于蒙脱石和高岭石之间，并随着层间K+含量的逐渐减少，而接近于蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成的晶胞。晶胞之间的

17、联结是氧原子与氢氧基之间的氢键，联结力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，亲水性及膨胀性较前两种矿物成分。 12 泡沫气体以较大体积分散在液体中形成的体系被称为泡沫。彼此被液膜隔开的气泡的聚集物，是气体在液体中的分散体系，内相（气体）的体积分数一般大于90%。泡沫在生产实际中有很多应用，如泡沫浮选、泡沫分离、泡沫灭火等。它包括固体泡沫（橡胶泡沫或聚苯乙烯泡沫）和常见的液体泡沫。如果气体的体积分数不是太高，泡沫中的气泡是球形的；但是在较高的气体体积分数下气泡就变成多面体形状。通常情况下，气泡直径在0.10.3mm之间。泡沫的界面面积较大导致表面自由能较高，因此在热力学上是不稳定的。由肥

18、皂液或表面活性剂稳定的泡沫在一定程度上可以延缓泡沫排液，以防止其破裂。而由醇或短链脂肪酸这类物质组成的泡沫是不稳定的，会迅速崩溃。但是前者也不是无限期稳定的，主要有两个原因：首先是由于重力作用，导致液膜变薄引起破裂；其次是因为外界条件（机械，热，蒸发，杂质等）对泡沫造成的扰动，从而导致泡沫消失。泡沫的形成非常简单，只要向起泡剂（表面活性剂或高分子化合物）溶液中通入气体，在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成后，气泡壁间夹带上来的液体在重力作用下向下流失，液膜逐渐变薄，气泡互相接近而变形。上图是三个气泡互相接近时的变形情况，三个气泡的交界处称为普拉托交界。根据拉普拉斯方程，A处的压力大于B处，膜中液体

19、向普拉托交界处流动，液膜进一步变薄。在此过程中，如果液膜强度不够，则液膜破裂，泡沫逐渐消失。如果起泡剂能在气-液界面吸附形成较紧密的单分子层，则液膜变薄到一定厚度后，两个单分子层在液相相遇而发生空间阻碍作用或两个扩散双电层重叠而发生电性排斥作用，此两种作用均可阻止液膜进一步变薄。液膜在某一厚度达到平衡，泡沫可处于暂时稳定状态。因此，吸附单分子层在接近时造成的空间阻碍作用和双电层的排斥作用愈大，泡沫愈稳定。 在工业生产的过程中会产生许多有害泡沫，需要添加消泡剂。消泡即在较短时间内破坏一个泡沫体系。常用的消泡方法是加入可溶或不溶的极性有机物，这些物质可在表面上吸附或展开，置换原起泡剂，本身又形不成稳定的液膜， 因而有消泡作用。 常用消泡剂有短链或支链的醇类（如异戊醇）、磷酸酯类（如磷酸三丁酯）、硅油、含氟极性有机物、环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物等。13 乳状液乳状液是指一种液体以液珠形式分散在与它不混溶或部分混溶的另一种液体中而形成的分散体系。乳状液按液滴大小来说可以分为乳状液（0.110m）和微乳状液（1100nm）。前者热力学不稳定，而微乳状液热力学稳定。乳状液大致分为水包油型（o/w）和油包水型（w/o）两种。例如，牛奶中是脂肪颗粒分散在水相中形成的，属于o/w型。蛋黄酱也是植物油中分散在醋或柠檬汁中，同样属于o/w型。用固体稳定的乳状液，称作pick