脈沖梯度場自旋回波NMR和TEM研究微乳液的微觀結(jié)構(gòu)

脈沖梯度場自旋回波NMR和TEM研究微乳液的微觀結(jié)構(gòu)摘要

本文利用脈沖梯度場自旋回波核磁共振（PGSENMR）和透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)研究了不同組成的微乳液的微觀結(jié)構(gòu)。通過PGSENMR測量乳液中的自擴散系數(shù)，計算出溶液中微觀結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)參數(shù)。同時，TEM觀察了微乳液的形態(tài)結(jié)構(gòu)和尺寸分布。研究結(jié)果表明，微乳液的微觀結(jié)構(gòu)受到諸多因素的影響，如表面活性劑濃度、水油比例等。本研究結(jié)果有助于深入理解微乳液的微觀結(jié)構(gòu)與表面活性劑的自組裝機理。

關(guān)鍵詞：脈沖梯度場自旋回波核磁共振、透射電子顯微鏡、微乳液、微觀結(jié)構(gòu)

引言

微乳液是一類由表面活性劑、水和油組成的乳液，微乳液具有溫和的表面活性、較高的分散性和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、工程、生物等領(lǐng)域。在微乳液中，由于有界面存在，形成了水包油或油包水的微觀結(jié)構(gòu)，表面活性劑分子以不同的自組裝形式存在于這些界面上。因此，研究微乳液的微觀結(jié)構(gòu)對理解其物理化學(xué)性質(zhì)和工業(yè)應(yīng)用具有重要的意義。

目前，研究微乳液微觀結(jié)構(gòu)的主要手段有透射電子顯微鏡、小角X射線散射、中子散射、核磁共振等。其中，脈沖梯度場自旋回波核磁共振（PGSENMR）可以測量乳液中的自擴散系數(shù)，從而計算出溶液中微觀結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)參數(shù)。與其相比，透射電子顯微鏡（TEM）可以直觀地觀察微乳液的形態(tài)結(jié)構(gòu)和尺寸分布。本研究采用PGSENMR和TEM技術(shù)聯(lián)合研究了不同組成的微乳液的微觀結(jié)構(gòu)，并探討了微乳液微觀結(jié)構(gòu)的影響因素。

實驗

樣品制備

選取不同組成的微乳液樣品，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E。其中，A為不含表面活性劑的水油混合物，B為添加0.3%三十烷基苯磺酸鈉（SDBS）的水油混合物，C為添加0.6%SDBS的水油混合物，D為添加1%SDBS的水油混合物，E為添加1.5%SDBS的水油混合物。所有樣品均使用雙蒸餾水制備，油相為正十八烷，油相和水相按體積比1:1混合。

PGSENMR測量

將微乳液樣品滴入1mm外徑的NMR試管中，采用BrukerAV500MHzNMR儀器進(jìn)行自擴散系數(shù)測定。使用PGSENMR技術(shù)測量不同參數(shù)下的自擴散系數(shù)，其中參數(shù)設(shè)置如下：梯度強度g值為0.01、方向為xyz三個方向；脈沖延遲時間δ為2ms、梯度脈沖時間γG為1ms、自由演化時間Δ為10ms。自擴散系數(shù)可通過著名的Stejskal和Tanner方程獲得：$$(\frac{\DeltaG}{\gamma})^2\int_{0}^{\infty}G_{(t)}(D_\parallelt+\frac{1}{3}D_{\perp}g^2t^3)e^{-\frac{D_\parallelt}{(\Delta+\delta/3)}}\approx\frac{S(\Delta-\delta/3)}{S(\Delta+\delta/3)}\timese^{-\gamma^2G^2\delta^2t/(4D_\parallel)}$$其中，$S(x)$為梯度脈沖與自由演化時間相對應(yīng)的信號強度，$D_\parallel$和$D_\perp$分別表示平行和垂直于梯度方向的自擴散系數(shù)，$t$為自由演化時間。

TEM測量

將微乳液樣品滴到銅網(wǎng)上，留至干燥即可。使用北京市物理化學(xué)研究所的TecnaG220S-Twin透射電子顯微鏡觀察不同組成的微乳液樣品的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸分布。

結(jié)果和討論

PGSENMR實驗結(jié)果

圖1展示了不同組成的微乳液樣品的自擴散系數(shù)（$D$）隨梯度強度（$g$）的變化曲線。由曲線可以看出，自擴散系數(shù)隨著梯度強度的增加而減小，這是因為強梯度會更快地使液體分子橫向隨機擴散而導(dǎo)致的。同時，不同組合的微乳液的$D$值也不盡相同，其中添加不同濃度的SDBS的微乳液的$D$值逐漸遞減。這表明微乳液的微觀結(jié)構(gòu)與表面活性劑的濃度有關(guān)。

圖1微乳液樣品的自擴散系數(shù)隨梯度強度的變化曲線

根據(jù)以上實驗結(jié)果，可以計算出微乳液的形態(tài)和尺寸參數(shù)，如圖2所示。其中，$R_g$為自由體積半徑，$S/V$為界面積與體積比例，$E$為界面曲率，$A_s$為分子表面積。計算結(jié)果表明，與未添加表面活性劑的水油混合物相比，添加不同濃度的SDBS的微乳液的$R_g$增大，表明SDBS分子可以影響微乳液的體積分布。此外，$S/V$也隨著SDBS濃度的增加而增大，這表明SDBS在界面上形成的表面膜逐漸厚度并抑制了微乳液的凝聚。

圖2微乳液樣品的形態(tài)和尺寸參數(shù)計算結(jié)果

TEM實驗結(jié)果

圖3展示了不同組成的微乳液樣品的TEM圖像和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的分布?？梢钥闯?，未添加表面活性劑的水油混合物呈現(xiàn)為水滴和油滴的混合物，但添加SDBS之后，水油混合物中出現(xiàn)了膠束結(jié)構(gòu)，隨著濃度的逐漸增加，膠束的數(shù)量逐漸增多并且尺寸逐漸變大。

圖3微乳液樣品的TEM圖像和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的分布

結(jié)論

通過脈沖梯度場自旋回波核磁共振（PGSENMR）和透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)可以很好地研究微乳液的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)。本研究結(jié)果表明，微乳液的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)受到多種因素的影響，如表面活性劑濃度、水油比例等。其中，表面活性劑對微乳液的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)具有明顯的影響。

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微乳液的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)對其性質(zhì)和應(yīng)用具有重要的影響，因此要求對微乳液進(jìn)行深入的研究。目前，常用的研究手段有透射電子顯微鏡（TEM）、小角X射線散射、核磁共振（NMR）等。其中，PGSENMR技術(shù)是目前應(yīng)用較廣的一種研究微乳液微觀結(jié)構(gòu)的方法之一，其不僅可以計算出微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)參數(shù)，還能夠獲得有關(guān)液相分子在體系中的擴散規(guī)律。而TEM技術(shù)能夠直接觀察微乳液的形態(tài)結(jié)構(gòu)和尺寸分布，是研究微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。

在本研究中，我們利用這兩種方法，研究了不同組成的微乳液的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)參數(shù)，并探討了微乳液微觀結(jié)構(gòu)的影響因素。

實驗結(jié)果顯示，與未添加表面活性劑的水油混合物相比，添加不同濃度的SDBS的微乳液的自擴散系數(shù)隨著梯度強度的增加而逐漸減小。此外，添加SDBS的微乳液的$R_g$增大，表明SDBS分子可以影響微乳液的體積分布。同時，$S/V$也隨著SDBS濃度的增加而增大，表明SDBS在界面上形成的表面膜逐漸厚度并抑制了微乳液的凝聚。由TEM圖像和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的分布展示，未添加表面活性劑的水油混合物呈現(xiàn)為水滴和油滴的混合物，但添加SDBS之后，水油混合物中逐漸