烷基糖苷表面活性劑及其復(fù)配體系流變行為研究

尚小琴， 伍　密， 武倫福， 陳浩亮， 王信銳，彭標(biāo)文

(1.廣州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 廣東 廣州　510006； 2.廣州市生產(chǎn)力促進(jìn)中心, 廣東 廣州　510400)

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烷基糖苷表面活性劑及其復(fù)配體系流變行為研究

尚小琴1， 伍密1， 武倫福2， 陳浩亮1， 王信銳1，彭標(biāo)文1

(1.廣州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 廣東 廣州510006； 2.廣州市生產(chǎn)力促進(jìn)中心, 廣東 廣州510400)

以實(shí)驗(yàn)室自制的烷基糖苷(APG)為主要研究對(duì)象，考察溶液濃度、鹽度以及復(fù)配體系中聚乙二醇(PEG)濃度對(duì)烷基糖苷溶液和復(fù)配體系溶液粘度以及流變性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同濃度烷基糖苷溶液呈現(xiàn)出不同的流變學(xué)特征，溶液濃度≥9%時(shí)，溶液由牛頓流體向非牛頓流體轉(zhuǎn)變；鹽濃度對(duì)烷基糖苷溶液影響顯著，NaCl濃度≥1%時(shí)，APG溶液由非牛頓性流體向牛頓流體轉(zhuǎn)變；聚乙二醇與烷基糖苷復(fù)配后體系溶液的流變性能發(fā)生改變，聚乙二醇濃度較低時(shí)，復(fù)配體系為牛頓流體；聚乙二醇濃度較高時(shí)，復(fù)配體系呈現(xiàn)非牛頓流體特征.

烷基糖苷； 流變行為； 粘度； 復(fù)配體系

表面活性劑是一種加入少量就能顯著改變?nèi)芤何锢怼⒒瘜W(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，被形象地稱為“工業(yè)味精”[1-3].根據(jù)不同條件，表面活性劑在溶液中能形成各種聚集形態(tài)，這種聚集體的流變性與其微觀結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部基團(tuán)間的相互作用有直接關(guān)系.因而，流變性質(zhì)已成為影響表面活性劑應(yīng)用的重要參數(shù)[4-6].

烷基糖苷(APG)是一種以天然可再生資源為原料制得的綠色環(huán)保型非離子表面活性劑.由于其良好的生物降解性、優(yōu)良的復(fù)配性以及對(duì)皮膚溫和無(wú)刺激等性能，在日用化工、采油、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景[7-8].烷基糖苷膠束聚集形態(tài)有球狀結(jié)構(gòu)和圓柱狀結(jié)構(gòu)，在提高濃度或添加助劑等條件下可演變?yōu)槿湎x(chóng)狀、囊泡狀和層狀等結(jié)構(gòu)，蠕蟲(chóng)狀膠束具有粘彈性，兼有增稠和較強(qiáng)清洗力等特點(diǎn)[10-11].本文以實(shí)驗(yàn)室自制的烷基糖苷為主要研究對(duì)象，考察溶液濃度、鹽度以及復(fù)配體系中聚乙二醇濃度對(duì)烷基糖苷溶液和復(fù)配體系溶液粘度以及流變性能的影響，為烷基糖苷類表面活性劑的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料與儀器

無(wú)水葡萄糖，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；正十二醇，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；對(duì)甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸鈉、氯化鈉、聚乙二醇，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；烷基糖苷，自制.

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DF-101S，鞏義予華儀器有限公司；精密電子天平，JJ-500型，美國(guó)雙杰兄弟集團(tuán)有限公司；可編程控制式流變儀，Brookfield DV-Ⅲ+，上海人和科學(xué)儀器有限公司.

1.2烷基糖苷溶液的配制

將烷基糖苷(APG)樣品配制成不同濃度的溶液，并將配制的12%的APG溶液與不同濃度的NaCl溶液混合得到不同鹽度的APG溶液，再將12%的APG溶液與不同濃度的聚乙二醇混合,得到不同濃度的APG/PEG復(fù)配體系,將上述溶液放置24 h后備用.

1.3烷基糖苷流變性的測(cè)定

利用Brookfield DV-Ⅲ+可編程控制式流變儀測(cè)定所配溶液的粘度，RV型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍為0～250 RPM，每個(gè)5 s記錄一次數(shù)據(jù)，測(cè)試溫度為29.0 ℃.

2　結(jié)果與討論

2.1不同濃度烷基糖苷表面活性劑溶液的流變特性

不同濃度APG溶液的流變曲線和固定剪切速率(51.4 s-1)下濃度與粘度的關(guān)系見(jiàn)圖1和圖2.由圖1可知，隨著剪切速率的增加，高濃度APG溶液的粘度明顯減小，呈現(xiàn)剪切變稀特性，由此可知APG濃度≥9%時(shí)表現(xiàn)出非牛頓流體特性，屬于非牛頓流體；而濃度為8%時(shí)APG溶液粘度隨剪切速率的變化不顯著，表現(xiàn)出牛頓流體的特性.由圖2可知，APG溶液粘度隨著濃度的增大而增大，當(dāng)濃度為15.5%時(shí)出現(xiàn)最大值，隨后則逐漸減小.這是由于APG溶液相態(tài)發(fā)生變化而導(dǎo)致，當(dāng)溶液濃度較低時(shí)APG溶液為單個(gè)游離膠束，隨著濃度增加逐步形成球形膠束，繼而形成蠕蟲(chóng)狀膠束，濃度繼續(xù)增加，蠕蟲(chóng)狀膠束相互纏繞形成空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最后逐步趨于層狀膠束，因此APG溶液的粘度出現(xiàn)了先增加后減小的現(xiàn)象.

圖1　不同濃度APG溶液剪切速率與粘度的關(guān)系

Fig.1The relationship between APG viscosity and shear rate in different APG concentration

圖2　APG溶液濃度與粘度的關(guān)系

Fig.2The relationship between viscosity and concentration of the APG

2.2烷基糖苷表面活性劑溶液的穩(wěn)態(tài)剪切

固定APG溶液濃度為12%，考察不同轉(zhuǎn)速下粘度隨剪切時(shí)間的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可知，在剪切速率較低時(shí)，溶液粘度高且呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，這是由于高濃度時(shí)溶液為蠕蟲(chóng)狀膠束，受剪后相互纏繞而形成局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻礙了溶液的流動(dòng)；而當(dāng)剪切速率較高時(shí)，溶液蠕蟲(chóng)狀膠束斷裂成為片段或者轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钅z束，體系粘度較小，并且與時(shí)間無(wú)關(guān)，因此溶液的粘度趨于穩(wěn)定.

圖3　APG溶液在不同轉(zhuǎn)速下的時(shí)間與粘度的關(guān)系

Fig.3The relationship between APG viscosity and time in different rotate speeds

2.3鹽度對(duì)烷基糖苷表面活性劑溶液流變行為的影響

固定APG溶液濃度為12%，NaCl濃度對(duì)烷基糖苷溶液流變性能的影響以及濃度與粘度的關(guān)系見(jiàn)圖4和圖5.由圖4可知，當(dāng)NaCl濃度<1% 時(shí)，APG溶液粘度均隨著剪切速率的增加而減小，呈現(xiàn)剪切變稀特征，為非牛頓性流體；但當(dāng)NaCl濃度>1%時(shí)，APG溶液粘度隨剪切速率的增大呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，APG溶液為牛頓流體.由圖5可知，隨著NaCl濃度的增加，APG溶液粘度快速增加，當(dāng)NaCl濃度為0.25%時(shí),出現(xiàn)最大值，隨后急劇減小，當(dāng)NaCl濃度為1.5%時(shí)，粘度很小且趨于穩(wěn)定.這是因?yàn)镹aCl的加入使APG溶液膠團(tuán)的聚集數(shù)增大，逐步形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故APG溶液粘度出現(xiàn)最大值；但當(dāng)NaCl濃度過(guò)大時(shí)，NaCl分子將奪取部分膠團(tuán)中的水分子以形成水合離子，使得APG溶液膠團(tuán)進(jìn)一步長(zhǎng)大而分相，導(dǎo)致體系粘度和透明度降低.

圖4　不同NaCl濃度下APG溶液剪切速率與粘度的關(guān)系

Fig.4The relationship between APG viscosity and shear rate in different NaCl concentration

圖5　NaCl濃度與APG溶液粘度的關(guān)系

Fig.5The relationship between APG viscosity and NaCl concentration

2.4聚乙二醇對(duì)烷基糖苷表面活性劑溶液流變行為的影響

不同濃度聚乙二醇對(duì)烷基糖苷溶液流變行為的影響見(jiàn)圖6.由圖6可知，聚乙二醇濃度較低時(shí)，APG/PEG復(fù)合體系粘度降低明顯，并且粘度隨剪切率的變化不明顯，近似于牛頓流體；而隨著聚乙二醇濃度的增大，復(fù)合體系粘度降低的幅度減小，且呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，表現(xiàn)出非牛頓流體的特征.由于烷基糖苷表面活性劑能和聚乙二醇的疏水基團(tuán)形成混合膠束，當(dāng)聚乙二醇濃度較低時(shí)，其疏水基團(tuán)少，形成的混合膠束可能處于游離膠束狀態(tài)，所以體系的粘度較低；但隨著聚乙二醇濃度的增加，其疏水基團(tuán)增多，混合體系形成的混合膠束逐漸形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系粘度增大.

圖6不同聚乙二醇濃度APG/PEG溶液剪切速率與粘度的關(guān)系

Fig.6The relationship between APG/PEG viscosity and shear rate in different PEG concentration

3　結(jié)　論

(1)不同濃度烷基糖苷(APG)溶液呈現(xiàn)出不同的流變學(xué)特征.溶液濃度≥9%時(shí)表現(xiàn)出非牛頓流體特性，屬于非牛頓流體；濃度為8%時(shí)APG溶液粘度隨剪切速率的變化不顯著，表現(xiàn)出牛頓流體特性, 屬于牛頓流體；剪切速率較低時(shí)，溶液粘度高且呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，而當(dāng)剪切速率較高時(shí)，溶液粘度趨于穩(wěn)定.

(2)鹽濃度對(duì)烷基糖苷溶液(APG)影響顯著.NaCl濃度<1% 時(shí)，APG溶液的粘度隨著剪切速率的增加而減小，呈現(xiàn)剪切變稀特征，為非牛頓性流體；NaCl濃度>1%時(shí)，APG溶液的粘度隨剪切速率的增大呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，為牛頓流體.

(3)聚乙二醇與烷基糖苷復(fù)配后體系的流變性能發(fā)生變化.聚乙二醇濃度較低時(shí)，APG/PEG復(fù)合體系粘度降低明顯，并且粘度隨剪切速率的變化不明顯，近似于牛頓流體；而隨著聚乙二醇濃度的增大，復(fù)合體系粘度降低的幅度趨小，且呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，表現(xiàn)出非牛頓流體的特征.

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【責(zé)任編輯： 孫向榮】

Rheological properties of alkyl polyglucosides surfactant and its complex systems

SHANG Xiao-qin1, WU Mi1, WU Lun-fu2, Chen Hao-liang1, WANG Xin-rui1, PENG Biao-wen1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China2. The Productivity Promotion Center of Guangzhou, Guangzhou 510400, China)

This paper aims to study the effects of alkyl polyglucosides (APG) aqueous solution concentration, sodium chloride and polyethylene glycol on the rheological properties of APG and its complex systems. The results show that different rheological characteristics are found in different concentrations of APG solution. APG is non-Newtonian fluid when the concentration is≥9%, and APG is Newtonian fluid when the concentration is 8%. The effect of salt concentration on APG rheological properties is significant. The solution shifts from non-Newtonian fluid to Newtonian fluid when the NaCl concentration is ≥1%. The rheological behavior of polyethylene glycol and APG complex system is changed. The complex system is Newtonian fluid when polyethylene glycol concentration was low, and the complex system is non-Newtonian fluid when polyethylene glycol concentration is high.

the alkyl polyglucosides; rheological properties; viscosity; complex systems

2016-05-22;

2016-05-25

廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016A01010344)；廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013J4300043);國(guó)家級(jí)、廣東省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助項(xiàng)目(201611078108，201511078002，201611078035)

尚小琴(1962-)，女，教授，博士. E-mail: hushanren@163.com

1671- 4229(2016)04-0029-04

TQ 423

A