納米流體改變界面潤(rùn)濕性的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

趙明偉，宋旭光，李 陽(yáng)，張博涵

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

0 引言

潤(rùn)濕是固體表面流體置換的過(guò)程，氣-固（v-s）和固-固（s-s）界面的接觸角通過(guò)宏觀監(jiān)測(cè)手段觀察不到，而液體在固體表面的潤(rùn)濕現(xiàn)象可以通過(guò)一些顯像設(shè)備即可進(jìn)行測(cè)量。液體在固體表面上的接觸角是衡量液體對(duì)固體表面潤(rùn)濕性能的重要參數(shù)［1-2］。液體在固體表面的潤(rùn)濕涉及熱力學(xué)、吸附動(dòng)力學(xué)及膠體與界面化學(xué)的交叉，因而研究液體在固體表面的潤(rùn)濕性能，對(duì)研究醫(yī)藥［3］、半導(dǎo)體、化妝品和石油開(kāi)采［4］等都具有重要意義。

液體與固體表面接觸時(shí)有兩種潤(rùn)濕的情況［5-6］。第1種情況，當(dāng)液體完全潤(rùn)濕固體表面，反映在兩相界面是液體在固體表面的接觸角為0°。第2種情況，當(dāng)液體部分潤(rùn)濕或完全不潤(rùn)濕固體表面，即液體在固體表面形成有一定角度的液滴。若固體對(duì)某種液體的接觸角越大，表明該液體越不容易對(duì)固體表面潤(rùn)濕［7-9］。固體材料對(duì)水的接觸角越小，表明材料的親水性越強(qiáng)，即親油性越弱［10］。接觸角測(cè)量方法可以按不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)［11］。按照直接測(cè)量物理量的不同，可分為量角法、測(cè)力法、長(zhǎng)度法和透過(guò)法［12-13］。測(cè)量時(shí)按照三相接觸線的移動(dòng)速率可分為靜態(tài)接觸角和動(dòng)態(tài)接觸角［14］。按照測(cè)試原理又可分為靜止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕獲氣泡法、毛細(xì)管上升法和斜板法［15］。

綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所用液體必須具備改變界面效果明顯的特點(diǎn)，因而選用應(yīng)用較為廣泛的納米流體。21世紀(jì)以來(lái)，納米技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，已成為人們研究的熱點(diǎn)［16-18］。本實(shí)驗(yàn)主要研究納米二氧化硅與TX-100的匹配關(guān)系，制備穩(wěn)定分散的納米流體，并研究其分散穩(wěn)定性，進(jìn)一步探討納米流體對(duì)固液界面潤(rùn)濕性改變的作用。本實(shí)驗(yàn)融合了界面化學(xué)、材料、吸附等理論知識(shí)，結(jié)合多種儀器技術(shù)，非常適合作為綜合性實(shí)驗(yàn)或開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)面向高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

試劑：納米二氧化硅，TX-100，氫氧化鈉，NaCl等均為分析純。

儀器：電子天平，磁力攪拌器，超聲波清洗機(jī)，TECNAIG20型透射電子顯微鏡（TEM），S-4800型掃描電子顯微鏡（SEM），激光粒度儀，接觸角測(cè)量?jī)x。

1.2 納米流體的制備

取一定質(zhì)量疏水納米二氧化硅顆粒與一定比例的TX-100復(fù)配，再加入一定量去離子水配制一定濃度的水基活性納米流體，加入1 mol／L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH＝10，機(jī)械攪拌后超聲分散120 min，繼續(xù)攪拌直至澄清透明。

1.3 納米流體的表征

制備濃度為0.1%的納米流體，然后通過(guò)TEM和SEM對(duì)納米流體的微觀形貌進(jìn)行表征。

1.4 分散穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

納米流體的濃度以及納米顆粒與TX-100的配比是影響納米流體分散穩(wěn)定性的重要因素，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置不同濃度和不同配比關(guān)系的納米流體。對(duì)納米流體的粒徑和zeta電位分別測(cè)量，以評(píng)價(jià)納米流體的分散穩(wěn)定性。

1.5 界面潤(rùn)濕性測(cè)量

采用光學(xué)投影法測(cè)定納米流體改變表面潤(rùn)濕性能，實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)過(guò)處理的油濕的石英片模擬疏水表面。首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量，將石英片置于NaCl溶液、TX-100溶液和納米流體中老化，測(cè)定石英片的潤(rùn)濕性隨時(shí)間變化的改變程度。緊接著進(jìn)行靜態(tài)接觸角的測(cè)量，測(cè)定不同濃度和不同配比下納米流體中浸泡的石英片的接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

納米流體的TEM和SEM圖如圖1所示，納米二氧化硅顆粒為近似球形，其粒徑主要分布在30 nm左右，納米顆粒的形貌均一，分散性好，無(wú)明顯團(tuán)聚。

圖1 納米流體的形貌

2.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)納米顆粒濃度對(duì)二氧化硅納米流體穩(wěn)定性的影響，測(cè)量一系列不同濃度和不同配比的二氧化硅納米流體的粒徑與zeta電位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，粒徑的變化趨勢(shì)與zeta電位值的變化趨勢(shì)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)zeta電位值較大時(shí)，引起靜電斥力增加，則水力半徑減小。隨著二氧化硅納米顆粒濃度的增加，二氧化硅納米流體的粒徑減小，zeta電位的絕對(duì)值增大，表明二氧化硅納米流體的穩(wěn)定性隨濃度的增加而增強(qiáng)。納米流體中表面活性劑與二氧化硅納米顆粒的最佳質(zhì)量比為1∶1，濃度為0.1%。

圖2 納米顆粒濃度對(duì)二氧化碳納米流體穩(wěn)定性的影響

2.3 界面潤(rùn)濕性的改變

（1）動(dòng)態(tài)接觸角。采用光學(xué)投影法測(cè)定水基納米流體改變表面潤(rùn)濕性能。實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)過(guò)處理的油濕石英片作為固體表面，將石英片置于3%NaCl溶液、TX-100溶液和水基納米流體中老化，測(cè)定石英片的潤(rùn)濕性隨時(shí)間的改變程度，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，水基納米流體和TX-100溶液均對(duì)石英片的潤(rùn)濕性產(chǎn)生影響，二者均會(huì)使油濕石英片的潤(rùn)濕性能發(fā)生轉(zhuǎn)變，使得石英片由親油向親水或中性轉(zhuǎn)變。納米流體實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的效果最好。

圖3 油濕表面油滴分別在3%NaCl溶液、TX-100溶液和納米流體中接觸角隨時(shí)間變化

（2）靜態(tài)接觸角。采用光學(xué)投影法測(cè)定濃度和配比對(duì)水基納米流體改變表面潤(rùn)濕性能的影響。實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)過(guò)處理的油濕石英片，將石英片先置于水中測(cè)定石英片的接觸角，然后將石英片置于納米流體中老化6 h，測(cè)量老化后石英片的接觸角，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，水基納米流體的濃度和配比均對(duì)石英片的潤(rùn)濕性產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)中的納米流體均使油濕石英片的潤(rùn)濕性能發(fā)生反轉(zhuǎn)，使得親油石英片向親水石英片轉(zhuǎn)變。濃度越大，潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的效果越好；配比對(duì)于潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)的影響不大。

圖4 油濕表面油滴分別在不同狀態(tài)下的納米流體中的接觸角

3 結(jié)語(yǔ)

納米流體改變界面潤(rùn)濕性的綜合實(shí)驗(yàn)將本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與膠體與界面化學(xué)的前沿研究結(jié)合起來(lái)，使大學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，整合后獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到有價(jià)值的結(jié)論，理解掌握界面潤(rùn)濕性及測(cè)量方法，激發(fā)學(xué)生的探索性科研的熱情，增強(qiáng)學(xué)生的成就感和自信心。

（1）進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于納米材料的認(rèn)識(shí)，通過(guò)該綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)一些納米材料相關(guān)的知識(shí)。對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行物理改性、納米流體穩(wěn)定性、接觸角測(cè)量的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，在查閱文獻(xiàn)的同時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，對(duì)課堂上學(xué)習(xí)的界面化學(xué)有關(guān)知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)界面潤(rùn)濕性有更深的認(rèn)識(shí)和理解。

（2）接觸角測(cè)量?jī)x和激光粒度儀是很常見(jiàn)的儀器，但大學(xué)生接觸此類(lèi)儀器的機(jī)會(huì)非常少。設(shè)計(jì)將兩種儀器引入綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)中所涉及接觸角測(cè)量?jī)x和激光粒度儀等儀器操作并不復(fù)雜，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)便可獨(dú)立操作，有利于學(xué)生融合膠體與界面化學(xué)課程中所學(xué)的相關(guān)知識(shí)，對(duì)大型實(shí)驗(yàn)的使用和理解有整體的掌握，充分發(fā)揮這些常用儀器在本科教學(xué)中的重要作用。

（3）學(xué)生通過(guò)納米流體的制備，掌握基本物理改性的方法；然后對(duì)制備的納米流體進(jìn)行微觀表征；對(duì)納米流體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，分析濃度和配比對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響；最后分析接觸角的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整合并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提升學(xué)生的總結(jié)分析能力以及學(xué)術(shù)論文撰寫(xiě)能力。