胶粒的双电层理论

胶粒的双电层理论及应用高分子化学与物理曹佳乐2014.04.09胶粒的双电层理论及应用乳胶粒的形成与结构电解质对双电层的作用胶体颗粒表面双电层之间的相互作用机理稳定与絮凝同种电荷胶体颗粒相互作用异种电荷胶体颗粒相互作用乳胶粒的形成与结构乳胶粒：在乳液聚合时，单体进入由乳化剂形成的胶束后经引发剂引发聚合后产生的胶体粒子。胶粒结构：电位离子+反离子=双电层胶体表面电位离子通过静电作用将溶液中的带相反电荷离子吸附到乳胶粒周围反离子层：①反离子吸附层（stern层）能同胶核一起运动的部分反离子由于靠近胶核，吸附较牢。②反离子扩散层反离子离胶核稍远不随胶核一起运动。胶核表面上的电位称为热力学电位，而在扩散层表面处的电位称为ξ（zeta）电位。ξ电位只有在固液两相发生相对移动时才能呈现出来.ξ电位的大小反映了胶粒带电的程度,其值越高表明胶粒带电越多,扩散层越厚.双电层稳定原因：在双电层中建立了静电力和扩散力之间的平衡。形成双电层后由于相同的乳胶粒具有相同的电荷，而相同的电荷相斥，所以乳胶粒能稳定地悬浮在水相中。ξ电位越高，乳液就越稳定。电解质对双电层的作用紧密层：一般很薄，只有单层或数层离反离子扩散层：却很厚，其厚度与溶液中的离子强度有关，离子强度越大，厚度越小，而高价离子对扩散层厚度影响更大，当扩散厚度减小时，ξ电位也随之降低，稳定性降低。其原因：电解质对扩散层有压缩作用（直接压缩；进一步把反离子压缩进紧密层，ξ电位降低，扩散层厚度降低。）离子强度：电解质的浓度，离子价数高价离子：可以进入乳胶粒的扩散层和紧密层，置换出低价离子，使双电层的离子数目减少而压缩扩散层，降低ξ电位。结果：由于直接压缩，以及高价离子的离子交换和吸附作用。扩散层减小，电动电位降低，直到使全部反离子都由扩散层进入紧密层，电动电位降为零。这时胶团的吸附层中正负电荷相等，胶团变为电中性，达到等电状态（等电点），消除了水乳胶体系的稳定性。稳定与絮凝胶体的稳定因素：动力学稳定性、溶剂化稳定、表面带电（双电层）。高价电解质或电解质的浓度足够大，使胶粒扩散层压缩，ξ电位降低，胶粒间排斥作用就减弱，这时胶粒之间就会发生凝聚。当ξ为零时（等电点），乳胶粒最不稳定，凝聚作用最剧烈，这就是用絮凝剂对乳液进行絮凝的机理。废水处理常用的絮凝剂：①无机盐类：硫酸铝、明矾、三氯化铁水合物②无机盐类聚合物：聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铁③有机类化合物：如高聚合的聚丙烯酸钠，聚乙烯吡啶、聚丙烯亚胺，聚丙烯酰胺等PS:絮凝过程是比较复杂的物理、化学过程，迄今为止还没有一个统一的认识（电荷中和作用、吸附/架桥作用）。带同种电荷胶体颗粒双电层相互作用影响因素：双电层之间的相互作用受胶体颗粒表面性质和胶体颗粒周围溶液两方面因素的影响。研究不同价态组合型电解质(如1价阳离子／1价阴离子，1价阳离子／2价阴离子)对双电层相互作用的影响时发现：①同号离子比反号离子对双电层相互作用的影响要大，尤其是高价态的同号离子在表面电位高时影响更大。②相同价态的同号离子对双电层相互作用的影响差异不大③双电层相互作用的程度随电解质浓度的增加而减小。④随着两带正电荷平面之间距离的减小，双电层相互作用力会急剧地持续增加，而且总是表现为相互之间的排斥力。带相反电荷胶体颗粒双电层相互作用胶体颗粒表面所带的电荷有正电荷和负电荷之分，而且在一定条件下带相反电荷的胶体颗粒可以共存于相同体系中，这种现象在自然界普遍存在。如热带、亚热带地区的可变电荷土壤。由于这类土壤中含有带负电荷的高岭石和带正电荷的铁铝氧化物，它们所带电荷相反，当共存于相同体系时它们表面的双电层会发生相互作用，并对胶体性质产生影响。带相反电荷胶体颗粒之间相互作用与胶体团聚行为的关系是人们关注的热点。机理：由于静电引力的作用，带相反电荷的胶体颗粒相互靠近，导致胶体颗粒表面双电层的扩散层发生部分重叠，从而降低胶体颗粒表面的有效电荷密度。化学胶体领域应用：①利用带相反电荷胶体颗粒之间的静电吸引力作用，将带相反电荷的胶体颗粒在一定条件下混合制成分子膜(LB膜），这种膜的稳定性取决于带相反电荷胶体颗粒的相互作用程度。Frank根据带相反电荷胶体颗粒之间的静电作用，通过自组装制成双层胶囊形的纳米材料，其形成过程类似于胶体颗粒之间的团聚行为。Antonio等研究带相反电荷胶体颗粒发生团聚时，内部结构有一个特点，每一个颗粒被带相反电荷的颗粒所包围，外围再分布相同电荷的颗粒，这样带相反电荷的颗粒交替排列，而且随着两种胶体颗粒数量比的变化，团聚颗粒的内部结构也发生变化。Thankyou!