低温非水环境中疏水缔合聚丙烯酸钠与两性离子表面活性剂的相互作用

doi:10.7503/cjcu20200631

摘要/Abstract

摘要：

疏水缔合聚合物和表面活性剂是构建黏弹性流体的重要物质, 二者的相互作用对流体性质具有显著影响, 一直是该领域的研究热点, 但此前的研究仅聚焦于水溶液中室温及以上温度范围, 而零下极端低温环境中的相互作用尚未涉及. 本文以疏水缔合聚丙烯酸钠(HMPA)为模型聚合物, 研究了低温(-20~20 ℃)环境中其与两性离子表面活性剂N-(顺-二十二碳-13-烯酸酰胺基丙基)-N,N-二甲基羧酸甜菜碱(EDAB)在乙二醇/水混合溶剂中的相互作用及混合体系的流变性质. 先后考察了HMPA溶解于纯水和乙二醇/水混合溶剂时的流变行为和HMPA-EDAB在乙二醇/水混合溶剂中的流变行为及自组装结构形貌. 研究发现, 加入50%(体积分数)的乙二醇会阻碍HMPA疏水支链形成缔合结构, 减弱其增黏性能, 但同时也会大幅降低体系的冰点. 在HMPA- EDAB混合体系中, HMPA疏水支链会进入EDAB胶束内核自组装形成混合胶束. 混合胶束的形貌取决于 HMPA和EDAB的浓度及环境温度, 进而影响体系的流变行为. 零下的低温有助于EDAB形成蠕虫状胶束, 因此HMPA与EDAB表现出更强的协同增效作用.

关键词: 疏水缔合聚丙烯酸, 两性离子表面活性剂, 蠕虫状胶束, 零下温度, 协同作用, 流变性能

Abstract:

Hydrophobic associating polymers and surfactants are the main materials used to fabricate viscoelastic fluids. The interaction between these polymers and surfactants exerts significant effect on the fluids properties， so it has been a popular research topic in this field. However， previous studies only focused on aqueous systems at room temperature or above， there was few researches related to the extremely low temperature environment. In this paper， the interactions between the neutralized salt of hydrophobically modified polyacrylate acid（HMPA） and zwitterionic surfactant erucyl dimethyl amidopropyl betaine（EDAB） in mixed ethylene glycol/water at 20 ℃ and -20 ℃ were studied， and the effects on the rheological properties were examined. The rheological behavior of HMPA in pure water and in the mixed ethylene glycol/water were first investigated， and the rheological response of HMPA-EDAB in ethylene glycol/water and their self-assembly morphology were then studied. It is found that the introduction of ethylene glycol in aqueous solution， on one hand， inhibits the association of hydrophobic chains on HMPA， resulting in the reduction on viscosifying ability. On the other hand， it also largely reduces the freezing point of the mixture. In the HMPA-EDAB system， the hydrophobic chains of HMPA go into EDAB micelles to form mixed micelles whose morphology is dependent on the concentrations of HMPA and EDAB as well as temperature， and thus affecting the fluid rheological properties. The sub-zero low temperature is beneficial for EDAB forming wormlike micelles， so that the synergistic effect between HMPA and EDAB becomes more obvious in this case.

Key words: Hydrophobically modified polyacrylate acid, Zwitterionic surfactant, Wormlike micelles, Sub-zero temperature, Synergistic effect, Rheological property

中图分类号:

O632.1

TrendMD:

韩一秀, 吴殿国, 李宏谱, 殷鸿尧, 梅拥军, 冯玉军, 钟祖勤. 低温非水环境中疏水缔合聚丙烯酸钠与两性离子表面活性剂的相互作用. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2056.

HAN Yixiu, WU Dianguo, LI Hongpu, YIN Hongyao, MEI Yongjun, FENG Yujun, ZHONG Zuqin. Interactions Between Hydrophobic Associating Poly（sodium acrylate） and a Zwitterionic Surfactant in Non-aqueous Media and Low Temperature Environment. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 2056.

图/表 9

Fig.1 Molecular structure of HMPA and EDAB used in this work

Fig.2 Rheological properties of HMPA in pure water at 20 ℃(A) Steady rheograms; (B) zero?shear viscosity as a function of HMPA concentration; (C) dynamic rheograms of 0.01% and 0.1% HPMA aqueous solution.

Fig.3 Zero?shear viscosity plotted as a function of HMPA concentration for HMPA EG/H2O(50/50, volume ratio) solutions(A) and dynamic rheograms of 0.01%(B) and 0.1%(C) HMPA in EG/H2O(50/50, volume ratio) solutions

Fig.4 Rheological properties of 0.01% HMPA and different concentrations of EDAB in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent at 20 ℃(A) Steady rheograms; (B) the comparison of zero?shear viscosity; (C) dynamic rheograms.

Fig.5 Rheological properties of 0.01% HMPA and different concentrations of EDAB in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent at -20 ℃(A) Steady rheograms; (B) comparison of zero?shear viscosity; (C) dynamic rheograms.

Fig.6 Rheological properties of 0.1% HMPA and different concentrations of EDAB in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent at 20 ℃(A) Steady rheograms; (B) comparison of zero?shear viscosity; (C) dynamic rheograms.

Fig.7 Rheological properties of 0.1% HMPA and different concentrations of EDAB in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent at -20 ℃(A) Steady rheograms; (B) comparison of zero?shear viscosity; (C) dynamic rheograms.

Scheme 1 Schematic diagrams of the variation of HMPA?EDAB mixed micelles morphology in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent upon temperature decreasing

Fig.8 Cryo?TEM micrograms of 0.1% HMPA(A, D), 1.44% EDAB(B, E) and 0.1% HMPA+1.5% EDAB(C, F) in EG/water(50/50, volume ratio) cosolvent at 20 ℃(A—C) and -20 ℃(D—F)

参考文献 32

1	Hill A.， Candau F.， Selb J.， Macromolecules， 1993， 26， 4521—4532
2	Lacík I.， Selb J.， Candau F.， Polymer， 1995， 36， 3197—3211
3	Aubry T.， Moan M.， J. Rheol.（Melville， NY， US）， 1994， 38， 1681—1692
4	Gou S.， Luo S.， Liu T.， Zhao P.， He Y.， Pan Q.， Guo Q.， New J. Chem.， 2015， 39， 7805—7814
5	Zhu R.， Feng Y.， Luo P.， Macromolecules， 2020， 53， 1326—1337
6	Tian H.， Quan H.， Huang Z.， J. Pet. Sci. Eng.，2020， 188， 106895
7	Zhong H.， Li Y.， Zhang W.， Yin H.， Lu J.， Guo D.， Polymers， 2018， 10， 628
8	Zou C.， Zhao P.， Hu X.， Yan X.， Zhang Y.， Wang X.， Song R.， Luo P.， Energy Fuels， 2013， 27， 2827—2834
9	Liu P.， Mu Z.， Wang C.， Wang Y.， Sci. Rep.， 2017， 7， 8791
10	Zhang Y. M.， Feng Y. J.， Wang Y. J.， Li X. L.， Langmuir， 2013， 29， 4187—4192
11	Zhang Y. M.， Feng Y. J.， Wang J. Y.， He S.， Guo Z. R.， Chu Z. L.， Dreiss C. A.， Chem. Commun.， 2013， 49， 4902—4904
12	Chu Z.， Feng Y.， Chem. Commun.， 2010， 46， 9028—9030
13	Chu Z.， Feng Y.， Chem. Commun.， 2011， 47， 7191—7193
14	Zhang Y.， Yang C.， Guo S.， Chen H.， Liu X.， Chem. Commun.， 2016， 52， 12717—12720
15	Wang D. X.， Luo L.， Zhang L.， Wang Y. Y.， Zhao S.， Yu J. Y.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2005， 21， 1205—1210（王东贤，罗澜，张路，王宜阳，赵濉，俞稼镛. 物理化学学报， 2005， 21， 1205—1210）
16	Han L. J.， Ye Z. B.， Chen H.， Luo P. Y.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2012， 28， 1405—1410（韩利娟，叶仲斌，陈洪，罗平亚. 物理化学学报， 2012， 28， 1405—1410）
17	Bhut P. R.， Pal N.， Mandal A.， ACS Omega， 2019， 4， 20164—20177
18	Kim J. T.， Kim C. A.， Zhang K.， Jang C. H.， Choi H. J.， Colloids Surf.， A， 2011， 391， 125—129
19	Dal⁃Bó A. G.， Laus R.， Felippe A. C.， Zanette D.， Minatti E.， Colloids Surf.， A， 2011， 380， 100—106
20	Khan M. Y.， Samanta A.， Ojha K.， Mandal A.， Asia⁃Pac. J. Chem. Eng.， 2008， 3， 579—585
21	Mei Y. J.， Han Y. X.， Zhou H.， Yao L.， Jiang B.， Acta Phys. Chim. Sin.，2012， 28， 1751—1756（梅拥军，韩一秀，周洪，姚林，江波. 物理化学学报， 2012， 28， 1751—1756）
22	Wei Y.， Han Y.， Zhou H.， Wang K.， Mei Y.， Wang H.， J. Solution Chem.， 2015， 44， 1177—1190
23	Mei Y.， Han Y.， Wang H.， Xie L.， Zhou H.， J. Surfactants Deterg.， 2014， 17， 323—330
24	Mei Y.， Han Y.， Zhou H.， Yao L.， Jiang B.， J. Dispersion Sci. Technol.， 2013， 34， 651—656
25	Oikonomou E.， Bokias G.， Kallitsis J. K.， Iliopoulos I.， Langmuir， 2011， 27， 5054—5061
26	Couillet I.， Hughes T.， Maitland G.， Candau F.， Macromolecules， 2005， 38， 5271—5282
27	Wang Y.， Hudson N. E.， Pethrick R. A.， Schaschke C. J.， Processes， 2019， 7， 332
28	Wang Y.， Pethrick R. A.， Hudson N. E.， Schaschke C. J.， Ind. Chem.， 2016， 2， 1000115
29	Wang Y.， Hudson N. E.， Pethrick R. A.， Schaschke C.， J. Cold Regions Science and Technology， 2014， 101， 24—30
30	Yin H.， Feng Y.， Li P.， Doutch J.， Han Y.， Mei Y.， Soft Matter， 2019， 15， 2511—2516
31	Yin H.， Feng Y.， Li P.， Doutch J.， Han Y.， Mei Y.， J. Colloid Interface Sci.，2019， 551， 89—100
32	Feng D.， Zhang Y.， Chen Q.， Wang J.， Li B.， Feng Y.， J. Surfactants Deterg.， 2012， 15， 657—661

[1]	孙涛, 王一波. 柱芳烃与烷烃间C―H…π和C―H…O的作用本质及协同性[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2046.
[2]	贾雪梅, 程铁欣, 周广栋. 沥青质及其亚组分与烷基苯磺酸盐溶液在降低界面张力中的协同作用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(7): 1631.
[3]	赵鹏,张晋腾,林艳红. Mg-ZnO复合物的紫外光催化效率及协同作用研究[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 538.
[4]	易江, 秦兴美, 陈飞武. 二元和三元复合物中阳离子硫键与磷键的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1439.
[5]	田龙,龙艳,宋术岩,王成. 花状结构Mn/CuO-CeO₂的合成及对CO氧化反应的催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(12): 2549.
[6]	郭振豪, 桂奇峰, 张博, 任帅臻, 张树鹏, 李新忠, 任天瑞. 聚羧酸盐和聚萘磺酸盐分散剂在高浓度水悬浮剂中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(7): 1278.
[7]	王晓丹, 徐丹丹, 吕维忠, 刘婧媛, 刘琦, 景晓燕, 王君. 抗癌载药体系Fe₃O₄@ZIF-8@PA的合成及药物释放[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(11): 1927.
[8]	张欢欢, 许东华, 管东波, 姚卫国, 石彤非. 双组分加成型硅橡胶交联固化过程的流变学研究[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(4): 788.
[9]	秦娇龙, 庞文文, 杨小东, 张腾, 任天瑞. 十二醇聚氧乙烯醚的表面性能及在水悬浮剂中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(10): 2182.
[10]	叶青, 霍飞飞, 王海平, 王娟, 王道. xAu/α-MnO₂催化剂的结构及催化氧化VOCs气体性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(5): 1187.
[11]	徐海涛, 李京, 梁红波, 熊磊, 高歌. 电子束固化含氟聚氨酯丙烯酸酯的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(04): 823.
[12]	梅向东张志平衣悦涛李宝聚宁君. 水杨酸葡聚七糖苷缀合物的合成及生物活性研究[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(2): 254.
[13]	陈新斌, 廖代正, 孙咏芬, 胡新娟, 杨艳, 朱申杰. Schiff碱双核配合物的磁性及模拟甲烷单加氧酶催化性能的研究[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(1): 78.
[14]	孙清, 邹业奎, 薛奇, 肖正刚, 高云, 胡友良. 窄分布聚丙烯的部分解缠结及其流变性能[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(9): 1820.
[15]	王进, 郑学晶, 刘琛阳, 程兴国, 何嘉松. 轻度磺化聚苯乙烯与聚苯乙烯共混物的流变性能表征[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(7): 1437.