咪唑类离子液体微乳液的光散射和微流变性质研究

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离子液体具有蒸气压低、热力学和化学稳定性高、对很多有机物和无机物都有良好的溶解能力等优点,是一种新型绿色溶剂。离子液体可以代替传统微乳液中的任一组分,构筑兼具离子液体和微乳液优点的离子液体微乳液。关于离子液体微乳液的基本性质,多数研究者关注的是其表面张力、粒径、电导率、相行为(相结构)等,对其光散射性质和微流变性质的研究很少。咪唑类离子液体是最常见的离子液体,本文以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Bmim]PF6)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim]BF4)、1卜丁基-3-甲基咪唑甲磺酸盐([Bmim][MS])等三种离子液体分别与聚氧乙烯辛基苯基醚(TX-100)、聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯(Tween-20)、二甲苯、正庚烷、正戊醇、水等组分构建了[Bmim]PF6/TX-100/H2O、[Bmim]BF4/Tween-20/二甲苯和([Bmim][MS]+H20)/(Tween-20+正戊醇)/正庚烷等三个离子液体微乳液体系,并采用动态光散射和扩散波谱技术研究了它们的光散射性质(流体力学半径RH、扩散系数D)和微流变性质(均方位移<△r2>、储能模量(弹性模量)G’、损耗模量(粘性模量)G”、动力学粘度)。结合旋转粘度计测定,讨论了离子液体微乳液的宏观流变行为。主要研究内容和结果如下:(1)采用目视滴定法绘制了离子液体微乳液的相图,利用电导法划分了微乳液的微观区域,即离子液体包水微乳区(W/IL)或离子液体包油微乳区(O/IL)、双连续区、水包离子液体微乳区(IL/W)或油包离子液体微乳区(IL/O)。(2)利用表面张力仪和动态光散射仪测定了水溶性组分[Bmim]BF4、[Bmim][MS]在纯水中的临界胶束浓度以及所形成聚集体的流体力学半径RH。[Bmim]BF4和[Bmim][MS]的临界胶束浓度分别为 1.01 mol L-1和0.398 mol-L-1。(3)利用动态光散射仪测定了微乳液液滴的RH和扩散系数D。结果表明,三种微乳液液滴的RH在一定条件下随着离子液体与表面活性剂的质量比I以及水或二甲苯或正庚烷质量分数的增大而增大,扩散系数D则随着RH的增大而减小。对于[Bmim]PF6/TX-100/H20体系,RH=1.64~10.70 nm,=1.487×10-10~2.28×,s-11 m2.S-1;对于[Bmim]BF4/Tween-20/二甲苯体系,RH=2.57~605.97 nm,D=1.268><10-10~5><10-13m2·s-1;对于([Bmim][MS]+H2O)/(Tween-20+正戊醇)/正庚烷体系,RH=1.43~4.79 nm,D=3.732×l0-10~l.114×l0-10 m2·s-1。(4)关于微乳液结构。对于[Bmim]PF6/TX-100/H2O体系,当w(H20)%= 10%和25%时,微乳液液滴为球形结构(电导法表征为W/IL和IL/W结构),而当w(H2O)%=15%和20%时,则为非球形结构(电导法表征为双连续结构)。电导法和光散射法对微乳液液滴的结构表征具有一致性。对于[Bmim]BF4/Tween-20/二甲苯体系,当w(二甲苯)%=10%时,微乳液液滴呈球形结构。对于([Bmim][MS]+H2O)/(Tween-20+正戊醇)/正庚烷体系,当w(正庚烷)%=5%和10%时,微乳液液滴呈球形结构。(5)利用扩散波谱仪测定了示踪粒子Ti02在离子液体微乳液中的均方位移<△r2>与弛豫时间ι的关系。在相同的弛豫时间内,示踪粒子在三种微乳液体系中的<△2>随着水或二甲苯或正庚烷的质量分数的增加而增大,而且<△r2>与ι具有幂律关系。对于[Bmim]PF6/TX-100/H20体系,当w(H20)%= 5%,10%,15%,20%,30%时,<△r2>与ι的幂律关系为<△rr2~1.02~108,示踪粒子在微乳液中表现出轻微的超扩散行为;当w(H20)%=25%时,幂律关系为<△r2>~ι,.00,说明此时微乳液体系表现为牛顿流体;当w(H2O)%=35%~40%时,幂律关系为<△r2>~ι0.98~0.97,示踪粒子在微乳液中表现为轻微的亚扩散行为。对于[Bmim]BF4/Tween-20/二甲苯体系,<△r2>与ι的幂律关系为<△r2>~ι0.87~0.91,示踪粒子在微乳液中表现出亚扩散行为。对于([Bmim][MS]+H2O)/(Tween-20+正戊醇)/正庚烷体系,<△r2>与ι的幂律关系为<△r2>~ι1.01~1.33,示踪粒子在微乳液中表现出超扩散行为。(6)三种微乳液体系的损耗模量(粘性模量)G"均远远大于其储能模量(弹性模量)G’,说明这三种离子液体微乳液体系都属于弹性极小的粘性流体。微乳液体系的损耗模量G"均随着水或二甲苯或正庚烷的质量分数的增加而减小。G"与ε的幂律关系与<△r2>与1:的幂律关系具有一致性。(7)三种离子液体微乳液体系的微流变动力学粘度和宏观动力学粘度均随着水或二甲苯或正庚烷的质量分数的增加而减小,二者具有一致性。
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