離子型表面活性劑對乳液性能的影響

劉燕軍，邵建楠，周 存*

(1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)紡織助劑有限公司，天津 300270)

在紡絲過程中為了增強可紡性、減少摩擦、提高纖維的性能，常常使用紡絲油劑幫助紡絲[1]。紡絲油劑一般是由表面活性劑、平滑劑、抗靜電劑等組成的復(fù)配體系，在實際應(yīng)用中大多需要配制成微乳液以提高油劑的使用效果[2]。在配置微乳液時，一般采用2種或2種以上的表面活性劑復(fù)配來乳化油脂，復(fù)配體系較兩單純表面活性劑乳化效果增加[3-4]。復(fù)配體系的表面活性劑之間存在協(xié)同作用[5-6]，可以優(yōu)化乳液性能，應(yīng)用范圍較廣。目前對于陰離子-非離子表面活性劑混合體系在水溶液中的復(fù)配規(guī)律已有較多研究，但對于陰陽非離子表面活性劑混合體系[7-8]研究較少，因為陰陽離子表面活性劑混合后很容易產(chǎn)生沉淀、分層，從而失去表面活性[9-11]，所以選擇適宜的陰陽離子型表面活性劑是關(guān)鍵。筆者主要研究陰陽離子對加入乳化體系，在未發(fā)生沉淀、分層的情況下，與只加入陰離子表面活性劑的乳化體系之間對乳液性能的不同影響。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

滌綸纖維，細(xì)度為1.56 dtex，上海特安綸纖維有限公司；月桂酸聚氧乙烯酯(LAE)、聚乙二醇二油酸酯(DQA)、油酸酯(QA)、脂肪醇聚氧乙烯磷酸酯鉀鹽(8102PK)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)，工業(yè)級，所有油劑均由天津工大紡織助劑有限公司提供。

JYW-200自動表面張力儀，承德鼎盛實驗儀器廠；DSA25全自動接觸角測量儀，德國克呂士公司；DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀，上海雷磁·創(chuàng)益儀器儀表有限公司； ZEN3690納米粒度Zata電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；S4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司。

1.2 試樣制備

將LAE與DQA按照2∶8的質(zhì)量比混合，再加入QA，在上述混合物中加入離子型表面活性劑8102PK制得含有LAE、DQA、QA以及8102PK的油相ANS，或加入8102PK與1227的復(fù)合離子型表面活性劑(8102PK與1227質(zhì)量比為1∶2)制得含有LAE、DQA、QA以及8102PK與1227復(fù)合物的油相ACNS；其中8102PK或8102PK與1227的復(fù)合物的加入量分別為油相的3%、5%，QA所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為油相的40%，LAE與DQA混合物為油相的其余部分，分別在上述油相中逐漸加水?dāng)嚢杈鶆?，即配制出不同濃度的ANS乳液與ACNS乳液，靜置24 h待測。

1.3 測試與表征

表面張力測定：依據(jù)GB/T 5549—2010，25 ℃，用無水乙醇或蒸餾水進行自動表面張力儀校正后測試出乳液的表面張力γ。

接觸角測定：依據(jù)DB44/T 1872—2016，25 ℃，使用全自動接觸角測量儀分別測量不同濃度的乳液在單根滌綸纖維上的接觸角；各測量5次，求平均值。

潤濕性測定：依據(jù)GB/T 11983—2008，25 ℃，配制一定濃度的油劑乳液900 mL，將帆布圓片浸沒于被測己知濃度的乳液中，記錄潤濕時間，各測5次，取平均值。

電導(dǎo)率測定：依據(jù)SL 78—1994，25 ℃，用電導(dǎo)率儀測試各試樣的電導(dǎo)率值，各測3次，取平均值。

黏度測定：依據(jù)GB/T 15357—2014，25 ℃，用毛細(xì)管黏度計及旋轉(zhuǎn)黏度計分別測試各試樣的黏度大小，各測5次，取平均值。

粒徑測定：25 ℃，用納米粒度Zata電位分析儀進行粒徑掃描。

纖維表面形貌變化：采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察纖維乳液處理前后表面形貌的變化，纖維表面噴金后，放大6 000倍進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液濃度對乳液表面張力的影響

圖1為乳液濃度對乳液表面張力的影響。

由圖1可見，ANS乳液與ACNS乳液的表面張力隨濃度增加先迅速降低，之后降低的趨勢逐漸平緩，曲線存在一個明顯的轉(zhuǎn)折點，該點的濃度可以視為乳液的臨界膠束濃度(CMC)。乳液在臨界膠束濃度之前由于表面活性劑的作用而表面張力迅速降低，在臨界膠束濃度之后，隨乳液濃度的增加，乳液中形成大量的膠束，乳液表面張力降低的速度開始慢慢變小。

ACNS乳液的表面張力相比ANS乳液的表面張力更小，臨界膠束濃度更低[12，13]，ANS乳液臨界膠束濃度為1.9%，而ACNS乳液臨界膠束濃度為0.8%。離子型表面活性劑含量的變化對臨界膠束濃度變化影響不大，可能在此體系中臨界膠束濃度的變化只與離子型表面活性劑的類型有關(guān)，而與含量無關(guān)。

2.2 乳液濃度對乳液接觸角的影響

圖2為乳液濃度對乳液接觸角的影響。

圖1 乳液濃度對乳液表面張力的影響

圖2 乳液濃度對乳液接觸角的影響

由圖2可見，乳液體系在滌綸纖維上的接觸角隨濃度變化的曲線與表面張力變化趨勢一樣，也存在一個明顯的突變點，該點的濃度即乳液的臨界膠束濃度(CMC)，在乳液濃度小于臨界膠束濃度時，乳液的接觸角隨濃度的增加迅速減小，當(dāng)濃度大于臨界膠束濃度時，乳液的接觸角仍在減小，但變化趨勢不明顯，趨于穩(wěn)定。

由楊氏方程知，當(dāng)固體的表面張力確定時，液體的表面張力越小，接觸角也越小，所以乳液在滌綸纖維上的接觸角與乳液的表面張力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，接觸角隨濃度的變化趨勢與表面張力大致相同，因此，ACNS乳液相比ANS乳液在滌綸纖維上的接觸角更小。

2.3 乳液濃度對乳液潤濕性的影響

圖3為乳液濃度對潤濕時間的影響。由圖3可見，乳液對帆布片的潤濕時間隨濃度的變化，隨著濃度的不斷增大，潤濕時間也逐漸縮短。在濃度較小時，潤濕時間隨濃度增大急劇減小，當(dāng)濃度增加到某一值時，潤濕時間雖仍在繼續(xù)減小，但隨濃度變化的趨勢逐漸減緩。

由于ACNS乳液的表面張力、接觸角均小于ANS乳液，表面張力、接觸角越小，乳液更容易潤濕，所以相對應(yīng)的ACNS乳液在不同濃度的潤濕時間均小于ANS乳液的潤濕時間。

圖3 乳液濃度對潤濕時間的影響

2.4 乳液含水量對電導(dǎo)率的影響

加入離子型表面活性劑后復(fù)配的乳液，其電導(dǎo)率隨含水量的變化如圖4所示。

圖4 乳液含水量對其電導(dǎo)率的影響

在含水量為0～20%時，體系為W/O型[14]，乳液主要成分為油相，油相中含有的離子型表面活性劑電離的離子，以及水相液滴之間的移動，產(chǎn)生導(dǎo)電能力，隨著含水量的增加，體系內(nèi)形成的液滴數(shù)量也緩慢增加，但由于數(shù)量較少，彼此距離較遠(yuǎn)，所以乳液電導(dǎo)率增加緩慢；在含水量為20%～60%時，體系處于由W/O型向雙連續(xù)相型[15，16]轉(zhuǎn)變的過程。在含水量為60%～100%時，體系處在由雙連續(xù)相型向O/W型轉(zhuǎn)變的過程中，電導(dǎo)率也隨之逐漸降低。

與ANS乳液相比，ACNS乳液中由于陽離子表面活性劑的引入，正負(fù)電荷相互中和，所以在電導(dǎo)率隨含水量變化趨勢相同的情況下，與陰陽離子混合的離子型表面活性劑復(fù)配的乳液電導(dǎo)率均低于與單一陰離子表面活性劑復(fù)配的乳液電導(dǎo)率。

2.5 乳液含水量對黏度的影響

與不同類型的離子型表面活性劑復(fù)配的乳液，其黏度隨含水量的變化如圖5所示。起初含水量較小時，體系處于W/O型；當(dāng)含水量繼續(xù)增大時，體系經(jīng)歷由W/O型向雙連續(xù)相型再向O/W型的轉(zhuǎn)變的過程，期間乳液膠束能相互纏繞，由球狀形成柔性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[17]，隨著含水量增加，再變?yōu)榍驙罱Y(jié)構(gòu)，由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠束內(nèi)部剪切力大，隨之乳液黏度也增大，進而達到最大值；隨著含水量的持續(xù)增大，體系處于O/W型，此時連續(xù)相為水相，因水的黏度較小，隨著含水量的不斷增加，乳液黏度也不斷降低。

對比ANS乳液，ACNS乳液黏度相對較小，由于正負(fù)電荷的相互中和，使得乳液中所形成的膠團之間的靜電力作用力減小，空間位阻增大[18-19]，減弱膠團之間流動的相互摩擦，使得剪切力[20-21]減小，對應(yīng)黏度也減小。

圖5 乳液含水量對乳液黏度的影響

2.6 乳液濃度對乳液粒徑大小的影響

當(dāng)離子型表面活性劑含量分別為3%及5%，乳液濃度為20%時，ACNS乳液的平均粒徑均大于ANS乳液的平均粒徑。與ANS乳液相比，ACNS乳液中正負(fù)電荷的中和，降低了乳液膠團表面的電荷，使乳液膠團之間的電斥力下降，乳液膠團的平均粒徑變大。

2.7 離子型表面活性劑加入處理滌綸纖維外貌

未經(jīng)處理的滌綸纖維表面纖維表面粗糙，且粗糙程度不同；經(jīng)過ANS乳液處理之后，纖維表面的粗糙程度降低；而經(jīng)過ACNS乳液處理之后，纖維表面的粗糙程度比較均一，改善了因粗糙程度不同而帶來的問題，也表明其在纖維表面的鋪展性更好。

3 結(jié) 論

a.與加入單一陰離子表面活性劑復(fù)配的乳液相比，同時加入陰離子、陽離子表面活性劑后復(fù)配的乳液表面張力更低，進而ACNS乳液有更好的潤濕性，在纖維表面的接觸角更小，能更好的在纖維表面鋪展，并且其具有更低的臨界膠束濃度，其中同時加入陰離子、陽離子表面活性劑后復(fù)配的ACNS乳液的臨界膠束濃度為0.8%左右，而加入單一陰離子表面活性劑復(fù)配的ANS乳液的臨界膠束濃度為2%左右；

b.ACNS乳液的電導(dǎo)率與轉(zhuǎn)相黏度均低于ANS乳液，但其平均粒徑卻略大于ANS乳液的平均粒徑。

參 考 文 獻

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