粘弹性胶束
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*
i (t )
16
1）复模量 G* (Complex Modulus)
0 e it 0 i 0 * * G * e (cos i sin ) G 'iG" i (t ) 0 0 0e
G'
0 cos 0
弹性模量（或储能模量，Storage modulus） 粘性模量（或耗能模量，Loss modulus）
34
新一代低聚表面活性剂
35
低聚表面活性剂-Gemini
36
低聚阳离子活性剂表面张力曲线
37
Gemini独特的流变特性
• 具有短链连接基团的Gemini在相当低的浓度下表现出很高 的粘度 • DTAB溶液浓度为10%时，粘度与水相近。 • 1% 的Gemini12-2-12 生成巨大的线性胶束 • 5%的Gemini12-2-12，粘度为几百Pa.s，具有粘弹性 • 7%的Gemini 12-2-12 ，形成凝胶。
28
1.2 阳离子表面活性剂溶液的相图
Schematic phase diagram for cationic surfactant solutions
29
The history of the physical chemistry of micellar solutions
• 1913年J.W. McBain 最早提出胶束结构状态。
13
小振幅振荡流场与粘弹性表征方法
小振幅振荡流场
0 cost
Hook弹簧
G
0
G
cost
d 牛顿流体 dt t t t 0 0 dt dt costdt cos( t ) 0 0 0 2
非牛顿流体流变学概要
Introduction on Non-Newtonian Fluid Rheology
2
牛顿流体和虎克固体
牛顿粘性定律
du dy
d dt
剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比，比例系数为粘度。在一定温度下， 粘度为常数。
虎克定律-纯弹性体
G
线性粘弹性Maxwell本构方程
~ ~ t ~ G
在小振幅振荡流场中的解
G
,
Maxwell 本构方程
G2 2 G' 1 2 2 G" G 1 2 2
24
1.McBain, J.W.Trans. Faraday Soc . 1913,9, 99.
2.McBain, J.W.Colloid Chemistry,vol. 5, Alexand er, J., Ed., Reinhold, New York,1944, p. 102.
30
表面活性剂稀溶液的自组装结构
剪切变稀和剪切增稠
7
非牛顿流体的依时特性—触变性
• 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而减小，并最终
达到平衡粘度，该特性称为正触变性，简称触变性。 • 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而增大，并最终 达到平衡粘度，该特性称为反触变性（antithixotropy )。
8
Comparison of experimental and predicted hysteresis loop of normal and patient’s bloods
G" tan G'
G"
0 sin 0
17
两种组成不同的胶束体系的粘弹性
1000
1000
100
G',G",G* (Pa)
G',G",G* (Pa)
100
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
26
阳离子、两性表面活性剂
种类 阳离子 表面活 性剂 两性离 子表面 活性剂
名称 卤化烷基季铵盐 卤化烷基吡啶 卤化烷氧基羟丙基 季铵盐 卤化烷基铵盐 甜菜碱
典型结构式
R N (CH 3 )3 X
R (C 2 H 5 N ) X
R O CH 2CH (OH )CH 2 N(CH 3 )3 X
18
非牛顿流体粘度随剪切速率变化一般规律
第一牛顿区、幂律区、第二牛顿区
19
典型广义牛顿流体本构方程
幂律模型 （Power’s Law Model）
K n
或
K n 1 K ' n '
K-稠度系数
20
n-流型参数
截断幂律模型
0 , 0 n 1 0 ( ) , 0 0
12
流变反应动力学耦合过程
粘弹性——另一个依时特性
• 材料同时具有粘性和弹性的属性，称为粘弹性。 • “刚柔相济” 的特性
• 体现自然辩证法的一般规律:
“一切差异都在中间阶段融合，一切对立都经过中间环节而互相 过渡”。 • 小振幅振荡剪切流场中获得粘弹性指标，如弹性模量G’、粘性模 量G”、复模量G*。
当外力大于某临界应力值时，材料才始流动，该临界 应力称为屈服应力。
4
非牛顿流体及种类
非牛顿流体的分类
5
非牛顿流体的性质
• • • • • • •
6
剪切变稀 （Shear Thinning） 剪切增稠 （ShearThickening） 屈服应力 （Yield Stress） 触变性（thixotropy） 粘弹性（visocoelasticity） 爬竿效应（Weissenberg效应） 湍流减阻效应（Toms效应）火焰喷射器
R N H 2X
R N (CH 3 ) 2 CH 2COO
27
非离子表面活性剂
名称 烷基聚氧乙烯醚， （烷基聚乙二醇醚，脂肪 醇聚乙二醇醚） 烷基酚聚氧乙烯醚 聚氧乙烯烷醇酰胺 烷基聚氧乙烯、聚氧丙烯嵌段聚合物 脂肪酸聚氧乙烯酯 多羟基表面活性剂， （多羟基物与脂肪酸 酯化物）
14
对粘弹性流体
0 cos(t )， 0 2
15
---损耗角
表征材料粘弹性的流变学指标
施加复应力
0e
*
it
0 (cost i sin t ) 0 {cos( t ) i sin(t )}
0e
Carreau-Yasuda模型
Cross 模型
n 1 2 2
0 [1 ( ) ] 0
0 1 0 1 ( ) m
21
Shear Thickening Fluids
22
Shear Thickening Fluids
23
38
12-2-12水溶液冷冻电镜
A-0.26%
B-0.5%
C-0.62%
D-0.74%
39
12-2-12水溶液冷冻电镜
E-1.0%,
G-1.5%
40
粘弹性表面活性剂胶束的流变学性质
41
剪切诱导粘度的特殊变化 （Shear induced Structure， SIS）
Effect of the shear rate on the viscosity of a 1-wt.% solution of 12-2-12 in D2 O.
32
Cryo-TEM images of 0.1% commercial quaternary ammonium surfactant Habon G in water quenched from 20°C
33
Cryo-TEM images of two C12βG1/SDS samples with increasing SDS mole fraction at 5 mol% total surfactant concentration.
11
化妆品凝胶乳液室温下的触变曲线
（A）制备出24小时，（B）制备120天。分别含维他命和不含维他命酯类
Stability of cosmetic formulations containing esters of Vitamins E and A: Chemical and physical aspects International Journal of Pharmaceutics 327 (2006) 12–16
剪切应力与应变成正比，比例系数为杨氏模量G。
3
非牛顿流体及种类
• 拟塑性流体 (pseudo-plastic fluid)
粘度随剪切速率增大而减小，剪切变稀流体。 • 涨塑性流体（dilatant fluid） 粘度随剪切速率增大而增大，剪切增稠流体。 • 含屈服应力的流体(fluid with yield stress)
表面活性剂的性பைடு நூலகம்和纳米自组装结构
25
表面活性剂的分类
阴离子表面活性剂
种 类 名称 烷基硫酸盐 烷基苯硫酸盐 肥皂 α 烯基磺酸盐 羟基烷基磺酸盐 阴 离 子 表 面 活 性 剂 典型结构式 R1-CH(-R2)-SO3Na R-C6H4-SO3Na， R=C10~13 R-CH2-COONa， R=C10~16 R1-CH2-CH=CH-(CH2)n-SO3Na， R2-CH2-CH(OH)-(CH2)m-SO3Na R1=C8~12，n=1-3；R2=C7~13，n=1-3 脂肪醇硫酸盐 脂肪醇醚硫酸盐， 烷 基醚硫酸盐 α 磺基脂肪酸甲酯 醇醚羧酸盐 壬基酚聚氧乙烯醚 羧酸盐 R-CH2-O-SO3Na， R=C11~17 R1(R2)-CH-CH2-O-(CH2CH2O)n-SO3Na R1=H，n=1-4 R-CH-(SO3Na)-COOCH3 R=C14~16 R-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa C9H19-C6H4-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa FAS FES, AES SES,MES AEC APEC 缩写 SAS LAS AOS
典型结构式
R-O-(CH2CH2O)nH R-C6H4-O-(CH2CH2O)nH RCONH(C2H4O)nH， RCON(C2H4O)n(C2H4O)mH， RCONHC2H4OH RO(C3H6O)m(C2H4O)nH RCOO-(CH2CH2O)nH C11H23COOC6H11O4, (失水山梨醇单月桂酸酯)
现代化工技术进展
粘弹性胶束体系 流变和减阻性质研究进展 Character
报告人: 方 波 教授
00000
华东理工大学化工学院流变学研究室
2011年11月17日
提纲
1 2 3 4 5 6
1
非牛顿流体流变学概要 表面活性剂的性质和结构 粘弹性胶束体系的特殊流变性质 光敏粘弹性胶束体系 粘弹性胶束体系的典型应用（减阻和强化采油） 结语
冠心病 (CHD)
急性中风ischemic stroke (IS)
严重异常急性中风
9
LDPE(低密度聚乙烯)熔体的滞后环
10
触变性的成因
• 对纯牛顿流体，在应力-剪切速率曲线上，得到一 条过原点的直线，上行线与下行线重合。
• 对非牛顿流体，由于材料受力后，结构破坏和恢 复速度不同，出现内部应力滞后现象。
球形胶束
棒状或蠕虫状胶束
31
球形双层囊泡
胶束微观结构（冷冻透射扫描电镜图 Cryo-TEM）
Threadlike micelles in a cryo-TEM image of an aqueous solution of 5 mM cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) with 3 mM Na-p-iodobenzoate. Compare the low-dose image (A) with the high-dose image (B) and note the overall loss of material and fi ne detail. Note also the “lasso-type” TLM seen in this field of view.
42
双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐
43
双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐 粘弹性胶束体系特殊的粘温关系
i (t )
16
1）复模量 G* (Complex Modulus)
0 e it 0 i 0 * * G * e (cos i sin ) G 'iG" i (t ) 0 0 0e
G'
0 cos 0
弹性模量（或储能模量，Storage modulus） 粘性模量（或耗能模量，Loss modulus）
34
新一代低聚表面活性剂
35
低聚表面活性剂-Gemini
36
低聚阳离子活性剂表面张力曲线
37
Gemini独特的流变特性
• 具有短链连接基团的Gemini在相当低的浓度下表现出很高 的粘度 • DTAB溶液浓度为10%时，粘度与水相近。 • 1% 的Gemini12-2-12 生成巨大的线性胶束 • 5%的Gemini12-2-12，粘度为几百Pa.s，具有粘弹性 • 7%的Gemini 12-2-12 ，形成凝胶。
28
1.2 阳离子表面活性剂溶液的相图
Schematic phase diagram for cationic surfactant solutions
29
The history of the physical chemistry of micellar solutions
• 1913年J.W. McBain 最早提出胶束结构状态。
13
小振幅振荡流场与粘弹性表征方法
小振幅振荡流场
0 cost
Hook弹簧
G
0
G
cost
d 牛顿流体 dt t t t 0 0 dt dt costdt cos( t ) 0 0 0 2
非牛顿流体流变学概要
Introduction on Non-Newtonian Fluid Rheology
2
牛顿流体和虎克固体
牛顿粘性定律
du dy
d dt
剪切应力与速度梯度或剪切速率成正比，比例系数为粘度。在一定温度下， 粘度为常数。
虎克定律-纯弹性体
G
线性粘弹性Maxwell本构方程
~ ~ t ~ G
在小振幅振荡流场中的解
G
,
Maxwell 本构方程
G2 2 G' 1 2 2 G" G 1 2 2
24
1.McBain, J.W.Trans. Faraday Soc . 1913,9, 99.
2.McBain, J.W.Colloid Chemistry,vol. 5, Alexand er, J., Ed., Reinhold, New York,1944, p. 102.
30
表面活性剂稀溶液的自组装结构
剪切变稀和剪切增稠
7
非牛顿流体的依时特性—触变性
• 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而减小，并最终
达到平衡粘度，该特性称为正触变性，简称触变性。 • 若流体的应力或粘度随剪切时间的增大而增大，并最终 达到平衡粘度，该特性称为反触变性（antithixotropy )。
8
Comparison of experimental and predicted hysteresis loop of normal and patient’s bloods
G" tan G'
G"
0 sin 0
17
两种组成不同的胶束体系的粘弹性
1000
1000
100
G',G",G* (Pa)
G',G",G* (Pa)
100
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
10 G' G" G* 1 0.1 1 10 Stress (Pa) 100 1000
26
阳离子、两性表面活性剂
种类 阳离子 表面活 性剂 两性离 子表面 活性剂
名称 卤化烷基季铵盐 卤化烷基吡啶 卤化烷氧基羟丙基 季铵盐 卤化烷基铵盐 甜菜碱
典型结构式
R N (CH 3 )3 X
R (C 2 H 5 N ) X
R O CH 2CH (OH )CH 2 N(CH 3 )3 X
18
非牛顿流体粘度随剪切速率变化一般规律
第一牛顿区、幂律区、第二牛顿区
19
典型广义牛顿流体本构方程
幂律模型 （Power’s Law Model）
K n
或
K n 1 K ' n '
K-稠度系数
20
n-流型参数
截断幂律模型
0 , 0 n 1 0 ( ) , 0 0
12
流变反应动力学耦合过程
粘弹性——另一个依时特性
• 材料同时具有粘性和弹性的属性，称为粘弹性。 • “刚柔相济” 的特性
• 体现自然辩证法的一般规律:
“一切差异都在中间阶段融合，一切对立都经过中间环节而互相 过渡”。 • 小振幅振荡剪切流场中获得粘弹性指标，如弹性模量G’、粘性模 量G”、复模量G*。
当外力大于某临界应力值时，材料才始流动，该临界 应力称为屈服应力。
4
非牛顿流体及种类
非牛顿流体的分类
5
非牛顿流体的性质
• • • • • • •
6
剪切变稀 （Shear Thinning） 剪切增稠 （ShearThickening） 屈服应力 （Yield Stress） 触变性（thixotropy） 粘弹性（visocoelasticity） 爬竿效应（Weissenberg效应） 湍流减阻效应（Toms效应）火焰喷射器
R N H 2X
R N (CH 3 ) 2 CH 2COO
27
非离子表面活性剂
名称 烷基聚氧乙烯醚， （烷基聚乙二醇醚，脂肪 醇聚乙二醇醚） 烷基酚聚氧乙烯醚 聚氧乙烯烷醇酰胺 烷基聚氧乙烯、聚氧丙烯嵌段聚合物 脂肪酸聚氧乙烯酯 多羟基表面活性剂， （多羟基物与脂肪酸 酯化物）
14
对粘弹性流体
0 cos(t )， 0 2
15
---损耗角
表征材料粘弹性的流变学指标
施加复应力
0e
*
it
0 (cost i sin t ) 0 {cos( t ) i sin(t )}
0e
Carreau-Yasuda模型
Cross 模型
n 1 2 2
0 [1 ( ) ] 0
0 1 0 1 ( ) m
21
Shear Thickening Fluids
22
Shear Thickening Fluids
23
38
12-2-12水溶液冷冻电镜
A-0.26%
B-0.5%
C-0.62%
D-0.74%
39
12-2-12水溶液冷冻电镜
E-1.0%,
G-1.5%
40
粘弹性表面活性剂胶束的流变学性质
41
剪切诱导粘度的特殊变化 （Shear induced Structure， SIS）
Effect of the shear rate on the viscosity of a 1-wt.% solution of 12-2-12 in D2 O.
32
Cryo-TEM images of 0.1% commercial quaternary ammonium surfactant Habon G in water quenched from 20°C
33
Cryo-TEM images of two C12βG1/SDS samples with increasing SDS mole fraction at 5 mol% total surfactant concentration.
11
化妆品凝胶乳液室温下的触变曲线
（A）制备出24小时，（B）制备120天。分别含维他命和不含维他命酯类
Stability of cosmetic formulations containing esters of Vitamins E and A: Chemical and physical aspects International Journal of Pharmaceutics 327 (2006) 12–16
剪切应力与应变成正比，比例系数为杨氏模量G。
3
非牛顿流体及种类
• 拟塑性流体 (pseudo-plastic fluid)
粘度随剪切速率增大而减小，剪切变稀流体。 • 涨塑性流体（dilatant fluid） 粘度随剪切速率增大而增大，剪切增稠流体。 • 含屈服应力的流体(fluid with yield stress)
表面活性剂的性பைடு நூலகம்和纳米自组装结构
25
表面活性剂的分类
阴离子表面活性剂
种 类 名称 烷基硫酸盐 烷基苯硫酸盐 肥皂 α 烯基磺酸盐 羟基烷基磺酸盐 阴 离 子 表 面 活 性 剂 典型结构式 R1-CH(-R2)-SO3Na R-C6H4-SO3Na， R=C10~13 R-CH2-COONa， R=C10~16 R1-CH2-CH=CH-(CH2)n-SO3Na， R2-CH2-CH(OH)-(CH2)m-SO3Na R1=C8~12，n=1-3；R2=C7~13，n=1-3 脂肪醇硫酸盐 脂肪醇醚硫酸盐， 烷 基醚硫酸盐 α 磺基脂肪酸甲酯 醇醚羧酸盐 壬基酚聚氧乙烯醚 羧酸盐 R-CH2-O-SO3Na， R=C11~17 R1(R2)-CH-CH2-O-(CH2CH2O)n-SO3Na R1=H，n=1-4 R-CH-(SO3Na)-COOCH3 R=C14~16 R-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa C9H19-C6H4-O-(CH2CH2O)n-CH2COONa FAS FES, AES SES,MES AEC APEC 缩写 SAS LAS AOS
典型结构式
R-O-(CH2CH2O)nH R-C6H4-O-(CH2CH2O)nH RCONH(C2H4O)nH， RCON(C2H4O)n(C2H4O)mH， RCONHC2H4OH RO(C3H6O)m(C2H4O)nH RCOO-(CH2CH2O)nH C11H23COOC6H11O4, (失水山梨醇单月桂酸酯)
现代化工技术进展
粘弹性胶束体系 流变和减阻性质研究进展 Character
报告人: 方 波 教授
00000
华东理工大学化工学院流变学研究室
2011年11月17日
提纲
1 2 3 4 5 6
1
非牛顿流体流变学概要 表面活性剂的性质和结构 粘弹性胶束体系的特殊流变性质 光敏粘弹性胶束体系 粘弹性胶束体系的典型应用（减阻和强化采油） 结语
冠心病 (CHD)
急性中风ischemic stroke (IS)
严重异常急性中风
9
LDPE(低密度聚乙烯)熔体的滞后环
10
触变性的成因
• 对纯牛顿流体，在应力-剪切速率曲线上，得到一 条过原点的直线，上行线与下行线重合。
• 对非牛顿流体，由于材料受力后，结构破坏和恢 复速度不同，出现内部应力滞后现象。
球形胶束
棒状或蠕虫状胶束
31
球形双层囊泡
胶束微观结构（冷冻透射扫描电镜图 Cryo-TEM）
Threadlike micelles in a cryo-TEM image of an aqueous solution of 5 mM cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) with 3 mM Na-p-iodobenzoate. Compare the low-dose image (A) with the high-dose image (B) and note the overall loss of material and fi ne detail. Note also the “lasso-type” TLM seen in this field of view.
42
双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐
43
双瓢尔菜基-2-羟乙基-丁基-双季铵盐 粘弹性胶束体系特殊的粘温关系