комплексы ПАВ/наночастицы, покрытые полимерной оболочкой

Влияние наночастиц с полимерной
оболочкой на реологические свойства
мицеллярных цепей катионного ПАВ
Курсовая работа студентки 4 курса Карабельской О.А.
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Филиппова О.Е.
Самоорганизация поверхностно активного вещества (ПАВ)
+ ПАВ образует мицеллы, чтобы
уменьшить контакт гидрофобных
частей с растворителем
– гидрофильные части
отталкиваются друг от друга,
препятствуя агрегации
Формы агрегации ПАВ
0
a
v 1

al 3
v
al
v
CP  v /(la )
Форма мицелл зависит от:

химического строения молекулы
v
ПАВ ( )
l
взаимодействия с
молекулами ПАВ а

соседними
1 v 1
 
3 al 2
v
1
al
v
1
al
v
1
al
Образование цилиндрических мицелл
ПАВ
KCl
1) При добавлении соли происходит
переход от сферических к длинным
цилиндрическим мицеллам.
2) Цилиндрические мицеллы образуют
сетку топологических зацеплений,
придавая раствору вязкоупругие
свойства.
Влияние полимера на реологию
водного раствора ПАВ (ЭГАХ)
Добавление полимера приводит к увеличению вязкости на 4 порядка. Это
происходит за счет образования общей сетки из полимера и цилиндрических
мицелл ПАВ.
Влияние наночастиц на вязкость
водных растворов ПАВ
Цилиндрические мицеллы состоят из торцевых полусферических
частей и центральной стержнеобразной. Мицеллы стремятся
уменьшить энергию концов и адсорбируются на поверхности
наночатиц.
Цель работы
Изучение влияния наночастиц (Fe3O4), покрытых
полимерной оболочкой, на реологические
свойства растворов ПАВ.
Объекты исследования

катионное ПАВ – хлорид эруцил-бис-(гидроксиэтил)
метиламмония (ЭХАГ)

Наночастицы, покрытые полимерной оболочкой гидрофобно
модифицированного полиакриламида (ГМ ПАА).
d=310 нм
Fe3O4
Реологический метод
Режимы реологических измерений
Статический режим
  
Измерительная ячейка
Динамический режим
К образцу прикладывается переменное напряжение
 * (t )   0 ei t
.
и регистрируется его деформация
 * (t )   0 e i ( t  )
 *  G* *
Комплексный модуль упругости G*=G'+iG”, где G‘ –
модуль накоплений, G” – модуль потерь.
Комплексная вязкость *:
Ячейка конусплоскость
 ( ) 
*
G ' 2 G"2

Получение наночастиц с полимерной
оболочкой
+
Fe3O4 (d=310 нм)
Полимеризацию проводили при 50-60 ºС в течение 3,5 часов в токе
аргона.
Фазовая диаграмма системы
ПАВ/полимер/наночастицы
гетерогенная система
гомогенная система
6
5
KCl, вес. %
4
3
2
1
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
ЭГАХ, вес. %
Определена область совместимости системы. Дальнейшие исследования
проводились с гомогенными растворами.
Вязкость раствора ПАВ
1000
[ЭГАХ]=1,5 вес. %
Растворитель: 3,26 вес. %-ный
раствор KCl в воде.
, Па*с
100
10
1
0,1
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
10
100
1000
, 1/с
Вязкость растворов ПАВ превосходит вязкость воды на 5 порядков.
Вязкоупругие свойства ЭГАХ
Модель Максвелла
 G’(ω) и G”(ω) хорошо описываются моделью Максвелла.
 Система имеет одно время релаксации τ=160 с, модуль упругости G0=3,7 Па.
Влияние наночастиц с полимером на
вязкость растворов ПАВ
10000
0=2800 Па с
1000  =540 Па с
0
[ЭГАХ]=1,5 вес. %,
[наночастицы с полимером]=0,18 вес. %
Растворитель: 3,26 вес. %-ный раствор
KCl в воде.
, Па*с
100
10
1
0,1
1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01
0,1
1
10
100 1000 10000
, 1/с
Добавление наночастиц, покрытых полимерной оболочкой, увеличивает
вязкость раствора более, чем в 5 раз.
Влияние наночастиц с полимером на
вязкоупругие свойства ПАВ
G'ПАВ/полимер
10
G'ПАВ
G0=6 Па
G', G", Па
G0=3,8 Па
G"ПАВ
G"ПАВ/полимер
1
0,1
1E-3
0,01
0,1
f, Гц
1
10
 После добавления наночастиц с полимером модуль упругости G0
увеличился более, чем в 1,5 раза.
 Диапазон, где G’>G” увеличился, следовательно, релаксационные процессы
замедлились.
Выводы



Получены наночастицы магнетита, покрытые полимерной
оболочкой из ГМ полиакриламида, путем синтеза полимера в
присутствии наночастиц.
Получена фазовая диаграмма системы ЭГАХ/наночастицы с
полимерной
оболочкой/KCl.
Определена
область
совместимости компонентов.
Показано, что добавление небольшого количества наночастиц с
полимерной оболочкой (0,18 вес. %) в водный раствор ПАВ
приводит к повышению вязкости и модуля упругости системы.
Это можно объяснить образованием дополнительных сшивок в
результате встраивания наночастиц в сетку из цилиндрических
мицелл ПАВ.