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胶体化学基本知识胶体是一种物质在另一种物质中形成的分散体杨伟汉

梦境娱乐网 2022-10-10 21:06:25

胶体化学基本知识 胶体是一种物质在另一种物质中形成的分散体

这种分散体的颗粒为0. 1 ~ 10μm,然而他们不是分子,而是由许多分子组成的聚集体。在这聚集体里,分子的数目和大小差异很大,有的粒子小得近似分子尺寸,有的则大到用一般显微镜就能观察到。胶体的另一个特征是多相体系被分散的物质为分散相,另一种物质为连续相或叫做分散介质。例如丙烯酸聚合物分散在水中,则聚合物是分散相,水是连续相或分散介质。因此,在分散相与分散介质之间存在着实际的分界面,这种分界面的大小即相当于粒子的大小,他决定了胶体的许多性质。由于胶体分散的粒子极细,因此他具有极大的比表面积。乳胶漆的基料是高分子聚合物在水中的分散体,也称作高分子分散液,简称乳液,他属于胶体范畴的体系。

胶体的表面性质:

将两种互不相溶的液体,如油和水在剧烈的搅拌下混合,可以得到一个暂时的分散液。油以极细的颗粒分散在水中,形成乳状液。如果搅拌一停,便立即分层,这是由于重力和表面张力所致。

溶解的物质能显著改变液体的表面张力。一般来说,无机盐类增加水的表面张力,而含有亲水基团,如羟基等的有机化合物能降低水的表面张力。溶质降低表面张力的值,就是界面上的位能,这种界面位能的改变,就是通常所指的吸附作用。想要得到一个比较稳定的乳液,就必须设法降低分散颗粒表面位能,或者说界面张力。凡是具有降低两种不相溶物质之间界面张力的物质,叫做表面活性剂。这类物质的结构特点是分子中兼有一个非极性的憎水基团和一个极性的亲水基团。

能够使乳液稳定的表面活性物质叫做乳化剂。乳化剂的乳化过程是乳化剂在界面上的吸附作用,因此,界面张力就有改变。界面张力的改变,可以引起两种可能的结果:

如果乳化剂可溶于水,同时又能降低水的表面张力,由于吸附定向作用,乳化剂分子吸附膜将油滴分子完全包围,形成水包油 型乳液,如图1-1。

O/W型乳液

如果乳化剂可溶于油,同时又能降低油的表面张力,则与上述情况恰好相反,形成油包水 型的乳液,如图1-2。

W/O 型乳液

不管上述哪种情况,如果加入的乳化剂的量恰好能包围住分散相而形成稳定乳液,这时的乳化剂浓度叫做临界胶束浓度,用CMC 表示。只有乳化剂浓度在CMC 以上,乳液才具有一定的稳定性。乳化剂的CMC 用mol /L 表示,其数值随乳化剂的种类和乳化体系而变化。

胶体的动力学性质:

胶体的动力学特点是分散相微粒径小于1μm 时,在介质中具有类似于分子运动的现象,称为布朗运动。他与分散相的物质种类无关,而与分散相的粒径、分散介质的黏度以及温度有关。布朗运动是由于介质液体分子从四周碰撞分散相微粒而产生的,它是液体分子运动所产生的从属现象,是液体分子运动的结果。它使得胶体溶液也具有扩散行为,不过扩散的速度比真溶液要慢。

胶体的光学性质:

当一束可见光照射胶体分散液时,由于分散颗粒大小不同,会产生不同的光学现象。我们知道,可见光的波长范围为0. 4 ~0. 8μm。如果分散相的粒子直径大于入射光波长,则光线以一定角度由粒子表面反射出来;若粒子直径小于入射光波长,则光线可绕过粒子;若粒子大小和入射光波长接近时,则光线除有一部分反射或透射外,其余的光线则被进行布朗运动的粒子向各个方向散射。由于不同大小颗粒对光的选择吸收,散射光的波长也不相同。因此我们利用这个原则可简单地通过乳液的外观来估计分散粒子的粒径大小,如表1-1。

乳胶外观与分散相粒径的关系

胶体分散液的稳定性:

胶体是一种物质以极细的颗粒分散在另一种物质中所形成的体系,其比表面积极大,体系的热力学性质是自由能增高,也就是说,他在热力学上是一个准稳定体系,他的稳定性是相对的、有条件的、不可逆的。对于高分子分散液来说,他的稳定主要靠电荷排斥作用和空间隔离作用来实现的。

电荷排斥作用

这种稳定作用通常出现在以离子型表面活性剂作乳化剂的场合。现以肥皂作乳化剂为例加以说明:肥皂溶解在水中立即离解成两种离子:羧酸根离子 和钠离子。首先,带负电荷的肥皂羧酸根离子由于分散相粒子的吸附作用,被吸附在颗粒的周围呈单分子膜,亲水的羧基负离子朝外,形成一个胶体粒子表面带负电荷的内层。此时,水中的反离子 同时受到两种力的影响,一种是受胶体粒子表面负离子的吸引力,另一种是钠离子本身所具有的扩散作用力。反离子在这两种力的影响下,就不可能全部集中在靠近粒子表面的周围,而是还有少部分扩散在介质中。当然,呈越接近粒子表面离子浓度越浓,渐远渐稀的分布态。如图1-3 所示。

双电层结构示意

另一方面,胶体粒子在运动时,也并不是在与介质直接接触的表面上分开,由于肥皂的羧基负离子的亲水性,被吸附在表面上的离子是水化离子,因此,粒子表面有一层水分子固定着,他们随粒子的移动而一起移动。这样,反离子扩散在介质中,介质又分不动的 和可动的 两部分。可见介质中的反离子也被分为两部分。这就是胶体粒子的双电层结构。

如上所述,由于这种不相等的离子分布,就产生了吸附层对扩散层的电位,该电位只是在粒子和介质两相相对移动时才会出现,叫做ζ-电位。显然ζ-电位愈高,粒子间的斥力将愈大,胶体就愈稳定。反之,如果粒子一旦彼此靠拢到相当接近的程度,就会在范德华力的作用下相互碰撞而凝聚,最终发生沉降、结块,而且是不可恢复的。

空间位隔作用

这种稳定作用通常出现在以非离子型表面活性剂或用水溶性高分子聚合物作保护胶体的场合。当使用非离子型表面活性剂作乳化剂或水溶性高分子聚合物作保护胶体时,乳化剂或保护胶的亲水端在水中形成水化膜,后者与乳化剂或保护胶体形成一体吸附在胶体颗粒的表面。只要有这层水化膜存在,粒子与粒子就被隔离开来,阻止了粒子碰撞时可能的结合,而使胶体得以稳定。以上两种稳定作用,在涂料用高分子分散体中常常同时存在。

水化膜位隔作用示意

需要说明,胶体分散液的稳定性并不能简单地用“是” 或“否” 来作一个质的判断,而是一个包括时间因素在内的量的程度问题。所以稳定性的尺度应是凝聚和沉降的速度。为了获得比较稳定的乳液,下列因素应予注意。

乳化剂乳化剂用量不足是导致乳液不稳定的重要因素之一。

pH 值酸碱度对乳液稳定性影响很大。因为酸度能降低ζ-电位,破坏水化层,促使乳胶凝聚。故乳液常调整至pH 值偏碱性时贮存。

电解质适量的电解质有利于乳液的稳定,但加入大量电解质时,会立即发生凝聚和沉降。

温度温度太高或太低都容易降低水化程度,促使ζ-电位变小,容易发生凝聚。此外,温度低于0 ,发生冰冻,则乳胶因水的膨胀将受到极大的伤害而破乳;温度升高,还会加剧布朗运动,导致胶粒碰撞的机会增多,促进凝聚。

浓度分散相浓度太高,使粒子十分拥挤,增加了碰撞机会;相互距离太近,容易进入范德华引力范围。这些都是诱导凝聚的因素。

机械剪切力机械剪切力会迫使乳化剂从胶体颗粒界面迁移,造成乳液的不稳定。

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