支鏈化陽離子和甜菜堿表面活性劑對聚四氟乙烯表面潤濕性的影響

元福卿 劉丹丹 郭蘭磊 祝仰文 徐志成黃建濱 張 磊 張 路,*(中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島66555;中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院,山東東營5705;中國科學院理化技術(shù)研究所,北京0090;北京大學化學與分子工程學院,北京0087)

支鏈化陽離子和甜菜堿表面活性劑對聚四氟乙烯表面潤濕性的影響

元福卿1,2劉丹丹3郭蘭磊2祝仰文2徐志成3黃建濱4張 磊3張 路3,*
(1中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島266555;2中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院,山東東營257015;3中國科學院理化技術(shù)研究所,北京100190;4北京大學化學與分子工程學院,北京100871)

利用座滴法研究了支鏈化陽離子表面活性劑十六烷基羥丙基氯化銨(C16GPC)和兩性離子表面活性劑十六烷基羧酸甜菜堿(C16GPB)在聚四氟乙烯(PTFE)表面上的吸附機制和潤濕性質(zhì),考察了表面活性劑濃度對表面張力、接觸角、粘附張力、固液界面張力和粘附功的影響趨勢.研究發(fā)現(xiàn),低濃度條件下,表面活性劑疏水支鏈的多個亞甲基基團與PTFE表面發(fā)生相互作用,分子以平躺的方式吸附到固體界面;支鏈化表面活性劑形成膠束的阻礙較大,濃度大于臨界膠束濃度(cmc)時,C16GPC和C16GPB分子在固液界面上繼續(xù)吸附,與PTFE作用的亞甲基基團減少,分子逐漸直立,固液界面自由能(γsl)明顯降低.對于支鏈化的陽離子和甜菜堿分子,接觸角均在濃度高于cmc后大幅度降低.

陽離子表面活性劑;兩性離子表面活性劑;支鏈;接觸角;聚四氟乙烯表面

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

Key Words:Cationic surfactant;Zwitterionic surfactant;Branched chain;Contact angle; Poly(tetrafluoroethylene)surface

1 引言

潤濕現(xiàn)象是日常生活和生產(chǎn)實踐中的常見現(xiàn)象,如在洗滌、礦物浮選、印染、油漆的生產(chǎn)和使用、粘結(jié)、防水及抗粘結(jié)涂層等諸多應用領域中發(fā)揮重要作用.1在流體中加入表面活性劑后,由于它可以吸附在界面上,從而改變固體表面組成和結(jié)構(gòu),調(diào)控固體表面的潤濕性質(zhì).

聚四氟乙烯(PTFE),是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物,具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力,在工業(yè)產(chǎn)生和日常生活中應用廣泛.因此,常規(guī)表面活性劑如陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)、2,3陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、4-9非離子表面活性劑辛基苯基聚氧乙烯醚(TX-100)10-12等在PTFE表面的吸附行為和潤濕性質(zhì)已得到系統(tǒng)研究.近年來,一些新型表面活性劑如氟碳表面活性劑13-16和雙鏈表面活性劑17在PTFE表面的吸附也得到了關(guān)注.不過,上述表面活性劑在PTFE表面的吸附行為和潤濕性質(zhì)均以臨界膠束濃度(cmc)為分界,濃度高于cmc時,表面活性劑分子在固液界面和氣液界面均達到飽和,固體表面的潤濕性質(zhì)不再隨表面活性劑濃度發(fā)生變化.

本文以自制的陽離子表面活性劑支鏈十六烷基羥丙基氯化銨(C16GPC)和兩性離子表面活性劑支鏈十六烷基羧酸甜菜堿(C16GPB)為模型化合物,利用座滴法研究其溶液在氣-液-固界面上的接觸角,考察疏水烷基支鏈化對表面活性劑分子在PTFE表面吸附行為的影響,為更好地了解表面活性劑分子改變界面潤濕性質(zhì)的機理提供依據(jù).

2 實驗部分

2.1 實驗材料

支鏈十六烷基羥丙基氯化銨(C16GPC)和支鏈十六烷基羧酸甜菜堿(C16GPB),均為實驗室自制,具體合成細節(jié)見文獻.18分子結(jié)構(gòu)式如示意圖1所示.

示意圖1 C16GPC和C16GPB的結(jié)構(gòu)Scheme 1 Stuctures of hexadecanol glycidyl ether ammonium chloride(C16GPC)and hexadecanol glycidyl ether glycine betaine(C16GPB)

PTFE片清洗:用軟毛刷蘸取少量洗衣粉進行徹底刷洗,刷洗干凈后用大量水沖洗.依次用一次水、丙酮、一次水清洗,烘干.然后鉻酸洗液浸泡5 h以上,之后用蒸餾水沖洗,再超聲20 min,在105°C條件下烘干備用.

文中有機試劑均為分析純.

2.2 接觸角測定

采用OCA20視頻光學接觸角測量儀(德國Dataphysics公司)測定各表面活性劑水溶液在PTFE表面的接觸角.實驗中采用座滴法測定液滴在PTFE表面形成的接觸角θ,溫度控制在(30.0±0.2)°C.19

2.3 表面自由能測定

通過使用OWRK法20來計算固體表面自由能(γsg),選取四種分析純液體(甲酰胺、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二次蒸餾水)通過座滴法測其在PTFE表面的接觸角,多次測量得到接觸角平均值(甲酰胺100.7°、乙二醇90.1°、DMF 62.8°、二次蒸餾水115.2°).通過OCA20軟件的表面自由能計算功能擬合,得出PTFE表面的表面自由能為22.34 mJ· m-2,與文獻報道數(shù)值接近.21

3 結(jié)果與討論

3.1 C16GPC和C16GPB在空氣-水界面的吸附

表面活性劑對固體表面潤濕性的影響與多方面因素有關(guān),由楊氏方程可知,22平衡接觸角與三個界面自由能之間有如下關(guān)系:

式中γsg、γsl和γlg分別代表固氣、固液和氣液的界面張力.

首先測定了不同濃度C16GPC和C16GPB溶液的表面張力,通過表面張力平衡值對C16GPC和C16GPB溶液摩爾濃度作圖,結(jié)果見圖1.由圖中曲線的轉(zhuǎn)折點得到了C16GPC和C16GPB的cmc分別約為5.0×10-5和8.0×10-6mol·L-1.C16GPB是兩性表面活性劑,中性pH條件下以內(nèi)鹽形式存在,分子間不存在靜電排斥力,因而其cmc遠低于陽離子表面活性劑C16GPC.兩種表面活性劑cmc時的表面張力(γcmc)均在26 mN·m-1左右,表現(xiàn)出較強的在表面上吸附、降低表面張力的能力,這與支鏈表面活性劑較高的表面甲基密度有關(guān).

圖1 C16GPC和C16GPB的表面張力-濃度(γlg- C)曲線Fig.1 Surface tension(γlg)versus the concentration (C)for C16GPC and C16GPB

通過Gibbs吸附公式,可以從圖1數(shù)據(jù)中計算得到C16GPC和C16GPB在溶液表面的飽和吸附面積,分別為0.58和0.66 nm2.

3.2 C16GPC和C16GPB對PTFE表面接觸角的影響

圖2為C16GPC和C16GPB溶液在PTFE表面的接觸角隨溶液中表面活性劑濃度的變化趨勢.PTFE表面是低能的聚合物表面,純水在PTFE表面不潤濕,接觸角約為110°.隨著表面活性劑濃度增大,接觸角在較寬的濃度范圍內(nèi)變化不大;當濃度大于5.0×10-5mol·L-1時,接觸角陡降至55°左右,達到平臺值.兩種表面活性劑濃度對接觸角的影響表現(xiàn)出相近的趨勢,然而,陽離子表面活性劑C16GPC接觸角開始降低的濃度略低于甜菜堿C16GPB.

圖2 濃度對C16GPC和C16GPB在PTFE表面接觸角(θ)的影響Fig.2 Effect of concentration on contact angles(θ)of C16GPC and C16GPB on PTFE surface

cmc是表面活性劑溶液性質(zhì)的最重要的轉(zhuǎn)折濃度,反映了溶液中的最大單體濃度,因此,對于常規(guī)表面活性劑,濃度高于cmc后表面活性劑分子在界面上的吸附一般不再增大.文獻2-12中系統(tǒng)研究了陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑和氟碳表面活性劑在PTFE表面的吸附行為,各類表面活性劑濃度對接觸角的影響與圖2中的結(jié)果一致.不過,文獻中接觸角降低至平臺值的濃度均在cmc附近,而本文研究的C16GPC和C16GPB則在高于cmc時接觸角才開始明顯降低.這意味著當溶液表面吸附達到飽和時,C16GPC和C16GPB還能在固體表面繼續(xù)吸附.

由于接觸角受到γsg、γsl和γlg的影響,其隨濃度的變化趨勢并非單一因素影響的結(jié)果.我們將在詳細討論兩種表面活性劑對PTFE表面的粘附張力和固液界面張力影響的基礎上,再進行固體表面吸附機制的考察.

3.3 C16GPC和C16GPB在PTFE表面的吸附

固體的γsg和γsl對接觸角有直接的影響,γsg越大,接觸角越小;γsl越大,接觸角越大.γsg和γsl的差值定義為表面活性劑在固體表面的粘附張力,它體現(xiàn)了固液之間的粘附能力.根據(jù)楊氏方程,由θ和γlg可以計算出粘附張力,其值為γlgcosθ.濃度對C16GPC和C16GPB對PTFE表面粘附張力的影響見圖3.

圖3 濃度對C16GPC和C16GPB在PTFE表面粘附張力(γlgcosθ)的影響Fig.3 Effect of concentration on adhensional tension (γlgcosθ)of C16GPC and C16GPB on PTFE surface

由于PTFE是非極性的低能表面,γsg較低;同時極性較大的純水和PTFE之間差異較大,γsl較高.因此,對于純水和低表面活性劑濃度溶液,γsg和γsl的差值為負;隨著表面活性劑體系濃度增大,C16GPC和C16GPB通過疏水相互作用在PTFE表面吸附,形成親水基指向溶液的吸附層,固體表面極性程度增大, γsl降低,粘附張力升高.當C16GPC和C16GPB在PTFE表面吸附達到飽和時,粘附張力約為15.5 mN·m-1.

Bargeman和van Voorst Vader23發(fā)現(xiàn)某些表面活性劑水溶液的表面張力和粘附張力(γlgcosθ)間存在著線性關(guān)系:

式中a、b為常數(shù),a值取決于固體表面的性質(zhì).

圖4示出了C16GPC和C16GPB的粘附張力與表面張力的關(guān)系.從圖中可以看出,表面活性劑濃度低于cmc時,表面張力與粘附張力呈較好的線性關(guān)系;高于cmc時,表面活性劑在氣液界面的吸附達到飽和,表面張力不再變化,而固液界面的吸附仍在繼續(xù),粘附張力持續(xù)升高,曲線中均出現(xiàn)了“垂直”的現(xiàn)象.

Fig.4 C16GPC和C16GPB的粘附張力與表面張力的關(guān)系曲線Fig.4 Dependence between the adhesional and surface tensions of C16GPC and C16GPB

Lucassen-Reynders24結(jié)合楊氏方程和Gibbs公式,提出通過γlgcosθ-γlg關(guān)系研究界面相對吸附的經(jīng)驗方法:24

式中Гsg、Гsl和Гlg分別代表表面活性劑在固氣、固液和氣液界面的吸附量.通常情況下Гsg≈0,通過cmc之前γlgcosθ-γlg直線部分的擬合,得到C16GPC和C16GPB的Γsl/Γlg值分別為0.47和0.39.

根據(jù)文獻2-12報道,對于PTFE表面常規(guī)線型陰離子表面活性劑SDS、陽離子表面活性劑CTAB和非離子表面活性劑TX-100的Гsl/Гlg值均接近1,說明它們在固液界面和氣液界面的吸附能力相近;而本文研究的支鏈陽離子表面活性劑劑在固液界面的吸附量只有氣液界面的一半,支鏈甜菜堿則只有約三分之一,可見疏水烷基支鏈化所導致的空間阻礙效應對固液界面的吸附影響更大.這可能是由于支鏈化的疏水烷基傾向于用盡可能多的亞甲基基團與PTFE表面作用造成的.文獻也研究了雙鏈陽離子表面活性劑雙十二烷基溴化銨(DDAB)和雙鏈陰離子表面活性劑磺基丁二酸二辛酯鈉鹽(AOT)在PTFE表面上的吸附,其Гsl/Гlg值分別為0.75和0.78,說明雙直鏈也具有一定的空間效應,造成其在固液界面上的吸附略低于氣液界面.17

利用測得的γsg數(shù)據(jù),可以得到不同濃度C16GPC和C16GPB溶液與PTFE之間的γsl,實驗結(jié)果見圖5.如前所述,表面活性劑通過疏水相互作用在PTFE表面上吸附,親水基朝外,增大PFTE表面的親水性,降低γsl.對于C16GPC,隨著濃度增大,表面活性劑分子在固液界面上的吸附量持續(xù)增大,直至飽和,表現(xiàn)為γsl隨濃度單調(diào)遞減趨近于平臺值,cmc前后濃度對γsl的影響趨勢一致.而對于C16GPB,隨著濃度增大,γsl逐漸降低;達到cmc后,不僅氣液界面上表面活性劑分子吸附達到飽和,固液界面上也暫時維持飽和單層,γsl隨濃度不再變化,多余的表面活性劑分子形成更多的膠束;濃度繼續(xù)增大至1.0×10-4mol·L-1后, C16GPB再度開始在固液界面上吸附,γsl隨之降低,直至平臺值.從以上結(jié)果分析,C16GPB在固液界面上的吸附更為困難,這可能與其較大的親水基團有關(guān).

圖5 C16GPC和C16GPB濃度對PTFE-水界面張力(γsl)的影響Fig.5 Effect of C16GPC and C16GPB concentrations on the PTFE-water solution interfacial tensions(γsl)

從文獻可知,對于PTFE表面,飽和吸附時TX-100的γsl約為15 mN·m-1,10CTAB的γsl約為10 mN· m-1,9SDS的γsl約為14 mN·m-1,3雙鏈表面活性劑DDAB和AOT的γsl均約為18 mN·m-1,17而本文研究的C16GPC和C16GPB的γsl約為7 mN·m-1.這說明支鏈化可能提高了表面活性劑分子在PTFE上吸附的驅(qū)動力,對PTFE表面的親水改性程度更高.

圖6為C16GPC和C16GPB溶液的表面張力與PTFE-水界面張力的關(guān)系曲線,從圖中可以看出,在濃度低于cmc時C16GPC和C16GPB的γsl與表面張力表現(xiàn)為線性,其斜率反映了γsl/γlg的比值.擬合得到C16GPC和C16GPB的斜率分別為0.47和0.39,與Γsl/ Γlg值相同,說明C16GPC和C16GPB分子降低表面張力和固液界面張力的能力相當,界面分子的數(shù)量決定了γsl和γlg.

圖6 PTFE-水界面張力與C16GPC和C16GPB溶液的表面張力的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the PTFE-water solution interfacial tensions and the surface tensions of C16GPC and C16GPB solutions

3.4 C16GPC和C16GPB在PTFE表面的粘附功

根據(jù)液體潤濕固體過程的自由能變化,可以推導出液體在固體表面的粘附功WA:

將方程(4)代入接觸角方程,可以得到:

從上式可以看出,粘附功總是大于0,這是由于固液界面張力總是小于固氣和液氣的表面張力之和.根據(jù)上述公式計算得到的C16GPC和C16GPB溶液在PTFE表面的粘附功數(shù)據(jù)見圖7.

圖7 C16GPC和C16GPB濃度對PTFE表面粘附功(WA)的影響Fig.7 Effect of concentrations of C16GPC and C16GPB on the adhesion work(WA)to PTFE surface

粘附功WA反映了液滴與固體表面接觸前后能量的變化,WA數(shù)值越大,則液滴越容易在固體表面浸潤.從圖7可以發(fā)現(xiàn),隨著C16GPC和C16GPB濃度增大,WA均在cmc附近通過一個明顯的極小值.

從WA的定義式可知,由于γsg不變,WA實際上由γlg和γsl的差值決定.隨濃度增大,表面活性劑分子在氣液界面上的吸附增加,γlg逐漸降低;同時,對于PTFE,表面活性分子在固液界面上的吸附也增加, γsl也降低.對于常規(guī)表面活性劑SDS、CTAB和TX-100,其中氣液界面和固液界面上的吸附能力相當;隨濃度增大,γsl和γlg變化的幅度也相當.因此,這三種表面活性劑在PTFE表面的WA隨濃度變化不大,均在46 mJ·m-2左右.25而對于雙鏈表面活性劑DDAB和AOT,當濃度低于cmc,由于其在固液界面上的吸附趨勢較弱,隨著濃度增大,γsl的降低幅度小于γlg,因此,WA隨濃度增大逐漸降低,界面吸附達到飽和時,DDAB和AOT的WA分別為28和32 mJ·m-2,明顯低于線型的常規(guī)表面活性劑.17

對于本文研究的支鏈型表面活性劑C16GPC和C16GPB,cmc之前其在固液界面上的吸附趨勢更弱,隨著濃度增大,γsl降低的幅度更小,C16GPC和C16GPB的WA的最低值分別為14和17 mJ·m-2.需要注意的是,當濃度大于cmc時,C16GPC和C16GPB在氣液界面的吸附達到飽和,γlg不變;但表面活性劑分子除形成膠束外,繼續(xù)在固液界面吸附,γsl持續(xù)降低,WA開始升高.由上述實驗結(jié)果可以推知:疏水烷基支鏈化一方面造成膠束形成困難,另一方面增大在疏水固體表面吸附的驅(qū)動力.因此,表面活性劑分子在cmc之后傾向于繼續(xù)向固體表面吸附.

3.5 C16GPC和C16GPB在PTFE表面的吸附機制

在系統(tǒng)考察C16GPC和C16GPB分子在氣液界面和固液界面上的吸附行為的基礎上,可以詳盡討論其對接觸角的影響機理.為便于討論,將表面張力、接觸角和粘附張力隨濃度的變化趨勢整理在圖8中.

從圖8可以看出,C16GPC對PTFE表面潤濕性的影響可以分為4個階段.

①濃度低于5.0×10-7mol·L-1為第一階段:表面活性劑濃度較低,在固液、氣液界面的吸附都相對較少,表面張力、粘附張力和接觸角等參數(shù)隨濃度幾乎不變.

②濃度在5.0×10-7-5.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)為第二階段:隨著體相濃度逐漸增大,表面活性劑在氣液和固液界面上逐漸吸附,γlg降低,有利于接觸角增大;同時γsl降低,粘附張力增大,造成接觸角降低.其中粘附張力作用稍強,因此接觸角隨濃度增大略有降低.

③濃度在5.0×10-5-5.0×10-3mol·L-1范圍內(nèi)為第三階段:表面活性劑在體相中形成膠束,在氣液界面上吸附飽和,γlg不變;但在固液界面上的吸附量繼續(xù)增大,γsl持續(xù)降低.由于此時只有造成接觸角降低的因素起作用,因此接觸角陡降.

④濃度大于5.0×10-3mol·L-1為第四階段:表面活性劑在固液界面的吸附也達到飽和,接觸角不再隨濃度變化.

C16GPB對PTFE表面潤濕性的影響則可以分為5個階段.

①濃度低于1.0×10-7mol·L-1為第一階段:表面張力、粘附張力和接觸角等參數(shù)隨濃度幾乎不變.

②濃度在1.0×10-7-1.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)為第二階段:隨著體相濃度增大,表面活性劑在氣液和固液界面上逐漸吸附,γlg和γsl同時降低.與C16GPC不同的是,由于C16GPB在固體表面的吸附能力相對更弱,γlg和γsl變化對接觸角的影響趨勢相近,接觸角在此階段隨濃度增大仍然變化不大.

③濃度在8.0×10-6-5.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)為第三階段:表面活性劑在體相中形成膠束,在氣液界面上吸附飽和,γlg不變;同時在固液界面上的吸附也暫時達到飽和,γsl不變.此階段多余的表面活性劑分子均形成膠束,接觸角不變.

④濃度在5.0×10-5-1.0×10-3mol·L-1范圍內(nèi)為第四階段:C16GPB在固液界面上的吸附量重新增大,γsl再度降低,接觸角陡降.

⑤濃度大于1.0×10-3mol·L-1為第五階段:表面活性劑在固液界面的吸附也達到飽和,接觸角不再隨濃度變化.

支鏈表面活性劑分子在PTFE表面上獨特的吸附行為與其分子的特殊結(jié)構(gòu)相關(guān),其在PTFE表面上的吸附機理示意圖見圖8.疏水烷基的支鏈化造成表面活性劑分子在吸附和形成膠束上的空間阻礙作用,這種阻礙作用對其在氣液界面上的吸附影響較小,對固液界面上的吸附影響較大,對膠束的形成影響更大.根據(jù)C16GPC和C16GPB的Γsl/Γlg值和其在氣液界面上的飽和吸附量,可以推算出cmc前C16GPC和C16GPB分子在PTFE表面上的最小吸附面積分別為1.23和1.69 nm2,直徑分別約為12.5和14.7 nm.此時,支鏈表面活性劑分子的疏水鏈的多個亞甲基基團與PTFE作用.當濃度大于cmc時,氣液界面上吸附達到飽和,膠束形成困難,表面活性劑繼續(xù)在固液界面上吸附,此時分子逐漸直立,支鏈化的空間阻礙作用變?nèi)?

圖8 C16GPC和C16GPB在PTFE表面吸附參數(shù)的濃度依賴性Fig.8 Concentration dependence of the adhesion parameter of C16GPC and C16GPB on PTFE surface

從圖5中的γsl數(shù)據(jù)可以看出,cmc之后γsl仍有大幅度降低,同時γsl-lgC曲線的斜率在cmc前后有較大變化:C16GPC的斜率從10.05增大至21.52,而C16GPB從8.20增大至21.47,說明cmc后表面活性劑分子在PTFE表面的吸附量有明顯增大.更有意思的是,C16GPC和C16GPB的Γsl/Γlg值分別為0.47和0.39,而其γsl-lgC曲線cmc前后斜率的比值分別為0.47和0.38,也就是說,當PTFE表面上支鏈表面活性劑吸附達到最終飽和時,其吸附量與氣液界面上的飽和吸附量相當,這應該是一個十分合理的結(jié)果.

4 結(jié)論

利用座滴法研究了支鏈化陽離子表面活性劑C16GPC和兩性離子表面活性劑C16GPB在PTFE表面上的吸附機制和潤濕性質(zhì),研究發(fā)現(xiàn):

①表面活性劑濃度低于cmc時,疏水支鏈的多個亞甲基基團與PTFE表面發(fā)生相互作用,分子以接近平躺的方式吸附到固體表面上,支鏈化造成的空間阻礙較大,C16GPC和C16GPB分子在固液界面上的吸附明顯低于在氣液界面上的吸附.

②對于C16GPC,分子在固液界面和氣液界面上的吸附造成γsl和γlg同時降低,對于接觸角的影響趨勢相反,其中γsl的影響稍大,接觸角隨濃度增大在cmc前略有降低;對于C16GPB,尺寸較大的親水基團造成固液界面吸附量更低,γsl和γlg對接觸角的影響程度相近,接觸角在cmc前不變.

③支鏈化表面活性劑形成膠束的阻礙較大,濃度大于cmc時,C16GPC和C16GPB分子在氣液界面上吸附達到飽和,但在固液界面上繼續(xù)吸附,γsl明顯降低,接觸角陡降.此時,支鏈化表面活性劑分子與PTFE作用的亞甲基基團減少,分子逐漸直立,固液界面飽和吸附量與氣液界面相近.

(1) Zhao,G.X.;Zhu,B.Y.Principles of Surfactant Action;Beijing: China Light Industry Press,2003;pp 490-534.[趙國璽,朱瑤.表面活性劑作用原理.北京:中國輕工業(yè)出版社,2003: 490-534.]

(2) Zdziennicka,A.;Janczuk,B.Appl.Surf.Sci.2010,257(3), 1034.doi:10.1016/j.apsusc.2010.08.012

(3) Szymczyk,K.;Janczuk,B.J.Surfactants Deterg.2010,13(2), 207.doi:10.1007/s11743-009-1146-2

(4) Szymczyk,K.;Zdziennicka,A.;Krawczyk,J.;Janczuk,B.Appl. Surf.Sci.2014,288,488.doi:10.1016/j.apsusc.2013.10.059

(5) Krawczyk,J.;Szymczyk,K.;Zdziennicka,A.;Janczuk,B.Int. J.Adhes.Adhes.2013,45,106.doi:10.1016/j. ijadhadh.2013.05.002

(6) Krawczyk,J.;Szymczyk,K.;Zdziennicka,A.;Janczuk,B.Int. J.Adhes.Adhes.2013,45,98.doi:10.1016/j.ijadhadh. 2013.05.001

(7) Zdziennicka,A.;Janczuk,B.J.Colloid Interface Sci.2010,350 (2),568.doi:10.1016/j.jcis.2010.06.026

(8) Szymczyk,K.;Janczuk,B.J.Adhes.Sci.Technol.2008,22(10-11),1145.doi:10.1163/156856108X309620

(9) Szymczyk,K.;Zdziennicka,A.;Janczuk,B.;Wojcik,W. J.Colloid Interface Sci.2006,293(1),172.

(10) Biswal,N.R.;Paria,S.Ind.Eng.Chemi.Res.2011,50(10), 6138.doi:10.1021/ie2000456

(11) Zdziennicka,A.Appl.Surf.Sci.2009,255(6),3801. doi:10.1016/j.apsusc.2008.10.030

(12) Szymczyk,K.;Janczuk,B.Langmuir 2007,23(17),8740. doi:10.1021/la7008495

(13) Szymczyk,K.;Gonzalez-Martin,M.L.;Bruque,J.M.;Janczuk, B.J.Colloid Interface Sci.2014,417,180.doi:10.1016/j. jcis.2013.11.033

(14) Szymczyk,K.Colloid Surf.A 2014,441,226.doi:10.1016/j. colsurfa.2013.09.016

(15) Szymczyk,K.;Janczuk,B.Ind.Eng.Chemi.Res.2012,51(43), 14076.doi:10.1021/ie301653h

(16) Szymczyk,K.Ind.Eng.Chemi.Res.2012,51(48),15601.doi: 10.1021/ie3016544

(17) Biswal,N.R.;Paria,S.Ind.Eng.Chemi.Res.2012,51(30), 10172.doi:10.1021/ie301198k

(18) Xu,Z.C.Study on the Synthesis and Physicochemical Properties of Novel Cationic and Zwitterionic Surfactants.Ph. D.Dissertation,Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing,2009.[徐志成.新型陽離子和兩性離子表面活性劑的合成和理化性質(zhì)的研究[D].北京:中國科學院理化技術(shù)研究所,2009.]

(19) Li,Z.Q.;Wang,Z.L.;Zhang,L.;Xu,Z.C.;Zhang,L.;Zhao,S. Chem.J.Chin.Univ.2011,32,2376.[李振泉,王增林,張磊,徐志成,張 路,趙 濉.高等學?；瘜W學報,2011,32, 2376.]

(20) Fan,R.J.;Zhang,X.X.;Zhou,L.;Cao,C.H.;Du,F.P.Chinese Journal of Pesticide Science 2011,13(1),79.[范仁俊,張曉曦,周 璐,曹 沖,杜鳳沛.農(nóng)藥學學報,2011,13(1),79.]

(21) Harkot,J.;Janczuk,B.Appl.Surf.Sci.2007,253(17), 7166.doi:10.1016/j.apsusc.2007.02.182

(22) Rosen,J.M.Surfactants and Interfacial Phenomena,2nd ed.; Wiley-Interscience:New York,1989.

(23) Bargeman,D.;van Voorst Vader,F.J.Colloid Interface Sci. 1973,42(3),467.doi:10.1016/0021-9797(73)90031-3

(24) Lucassen-Reynders,E.H.J.Phys.Chem.1963,67(5),969.

(25) Szymczyk,K.;Janczuk,B.J.Colloid Interface Sci.2006,303 (1),319.doi:10.1016/j.jcis.2006.07.058

Effect of Branched Cationic and Betaine Surfactants on the Wettability of a Poly(tetrafluoroethylene)Surface

YUAN Fu-Qing1,2LIU Dan-Dan3GUO Lan-Lei2ZHU Yang-Wen2XU Zhi-Cheng3HUANG Jian-Bin4ZHANG Lei3ZHANG Lu3,*
(1College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266555,Shandong Province,P.R.China;2Geological Scientific Research Institute of Shengli Oilfield Co.Ltd.,SINOPEC,Dongying 257015,Shandong Province,P.R.China;3Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China;4College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

The adsorption mechanism and wetting properties of aqueous solutions of branched cationic surfactants,hexadecanol glycidyl ether ammonium chloride(C16GPC),and zwitterionic surfactant,hexadecanol glycidyl ether glycine betaine(C16GPB)on a poly(tetrafluoroethylene)(PTFE)surface were investigated using sessile drop analysis.The influences of surfactant concentration on surface tension,contact angle,adhesional tension,PTFE-solution interfacial tension,and adhesion work were expounded.The results indicate that branched surfactant molecules lie parallel to the PTFE surface through hydrophobic interactions between the multi methylene groups of the alkyl chain and the solid surface below the critical micelle concentration(cmc). C16GPC and C16GPB molecules still adsorb onto PTFE because of the marked hindrance of branched chains to the formation of micelles above the cmc.The methylene group interactions with PTFE decrease and C16GPC and C16GPB molecules become straightened on the solid surface,which results in a clear decrease in PTFE-solution interfacial tension(γsl).For branched surfactants,an abrupt decrease in contact angle appears above the cmc.

O647

10.3866/PKU.WHXB201503028www.whxb.pku.edu.cn

Received:January 8,2015;Revised:February 10,2015;Published on Web:March 2,2015.

?Corresponding author.Email:luyiqiao@hotmail.com;Tel:+86-10-82543589.

The project was supported by the Important National Science&Technology Specific Projects of China(2011ZX05011-004).

國家科技重大專項(2011ZX05011-004)資助項目