阴—非离子表面活性剂抗Ca~(2+)机理

【摘要】阴-非离子表面活性剂相比于非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂,具有耐盐性能好,kraff点低,浊点高以及环境友好的优点。研究发现,该类阴-非离子表面活性剂都有很高的抗Ca2+能力,认为分子中的EO基团会与Ca2+离子发生络合作用,从而减小了Ca2+离子对极性头基的影响,表面活性剂分子不容易沉淀,因此提高了其抗Ca2+离子能力。为了得到EO基团与Ca2+离子相互作用的大小、EO数量对这种相互作用力的影响、EO基团的数量与表面活性剂分子抗Ca2+能力的关系以及不同种类阴-非离子表面活性剂抗Ca2+离子的差异等,通过分子动力学模拟的方法从微观上深入分析,考察了烷基硫酸盐和烷基磺酸盐随EO数的增加,对表面活性剂聚集行为及其与Ca2+离子相互作用的影响,以期对阴-非离子表面活性剂的实际应用和分子设计提供理论指导。十二烷基硫酸钠(SDS)是一种常见的阴离子表面活性剂,广泛应用于各种领域。第二章就选取了SDS分子以及十二烷基苯硫酸钠(SDBS)作为对比,通过分子动力学模拟研究了引入一个EO基团后,表面活性剂分子在气/液界面聚集行为的差异。EO基团的引入会降低极性头所带电量,它们之间的经典排斥力降低,有利于表面活性剂形成更为紧密的聚集结构。而头基负电性的降低,使其与Na+离子的相互作用降低,SDBS的体系降低幅度高于SDS.EO基团的存在可以增强极性头基的水化能力,且SDBS的体系增强幅度高于SDS。SDS与SDBS体系之间这些差异可能与苯环所带来的空间位阻效应有关。EO基团的引入会提高SDS和SDBS的水化能力,降低头基与Na+离子的相互作用。第三章中就进一步探讨了EO基团的引入对SDS和SDBS抗钙性的影响。在SDS和SDBS体系中,大多数Ca2+离子则位于表面活性剂分子中804头基的第二水化层。而在SDES和SDBES体系,部分Ca2+离子会进入EO基团和804头基的第一水化层,Ca2+离子与表面活性剂的相互作用增强,而进一步的分析表明,Ca2+离子只与804头基中与EO基团相连的O原子发生强的相互作用,而与其它三个O原子的相互作用力没有明显的增强。引入的EO基团会结合Ca2+离子,限制其迁移能力,降低了Ca2+离子对804头基的影响,因而降低了表面活性剂被沉淀的几率,提高其抗钙性能。一个EO基团的引入就可以提高SDS的抗钙性能,为了得到EO数量对它们抗钙性能的影响,第四章模拟研究了SDS、SDES、SDE2S、SDE3S和SDE4S在界面聚集行为和抗钙性能的差异。EO数增加,会降低表面活性剂与Na+离子相互作用力,而能提高其与Ca2+离子的结合能力,尤其是当EO数大于2时,提高的幅度更大,继续增加EO基团,对其抗钙性能的提高不明显。烷基磺酸盐类表面活性剂活性剂也是一类用途广泛的阴离子表面活性剂,作为与烷基硫酸盐的对比,第五章模拟了EO基团的引入对十二烷基磺酸钠(SDSn)和十二烷基苯磺酸钠(SDBSn)表面活性剂分子在气/液界面上的聚集行为及其抗钙性能的影响。EO基团的增多都可以增强SDSn和SDBSn表面活性剂分子、头基S03及Oe原子的水化能力。SDSn分子中的S03基团与反离子Na+的相互作用随着EO数的增加逐渐减弱,SDBSn分子则是引入第一个EO基团时,它们之间的相互作用增强,而随着进一步增加EO基团其相互作用又逐渐减小。SDSn分子中引入3个EO基团时,Ca2+离子对S03基团影响最小,EO络合Ca2+离子的能力最大,此时表面活性剂分子的抗钙性能最强。而SDBSn分子中引入2个EO基团后,表面活性剂分子的抗钙性能就大大提高,继续增加EO基团对其抗钙性能的提高不明显。表面活性剂与聚合物混合体系的研究一直是大家感兴趣的课题。目前对阴-非离子表面活性剂与聚合物混合体系的研究较为缺乏。第六章我们选择的模拟体系为含有三个EO基团的十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠(SDE3Sn)和十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠(SDE3S)分别与聚丙稀酰胺(PAM)以及PEO-PPO嵌段聚醚的混合体系,考察在含有CaCl2时,混合体系组分间的相互作用及其抗钙能力,结果发现含有SDE3Sn的混合体系的抗Ca2+性能优于含SDE3S者。
【作者】陈贻建；
【导师】徐桂英；
【作者基本信息】山东大学，化学，2014，博士
【关键词】阴-非离子表面活性剂；抗Ca2+离子能力；相互作用；分子动力学模拟；

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