膠束的結(jié)構(gòu)和形狀
膠束的形狀對(duì)表面活性劑溶液的黏度、對(duì)疏水物的增溶能力和濁點(diǎn)等性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。膠束的形狀受到表面活性劑的類型、濃度、介質(zhì)類型以及溫度等多種因素的影響。
常見(jiàn)的膠束類型主要包括:球形、棒狀、層狀和囊泡等,如圖3-2所示。
膠束的形狀受到形成膠束的表面活性劑的濃度的影響,膠束的大小受到形成膠束的表面活性劑分子的數(shù)目即聚集數(shù)影響。例如,十二烷基硫酸鈉(SDS)水溶液在其臨界膠束濃度(0.008mol/L)時(shí),膠束呈球形,聚集數(shù)為73;當(dāng)其濃度為CMC的 0倍時(shí),膠束為棒狀;濃度再增加時(shí),棒狀膠束會(huì)聚集成六角形膠束,最后形成層狀膠束。表面活性劑的聚集數(shù)可以從幾十至幾千甚至上萬(wàn)。表面活性劑的臨界膠束濃度一般在0.00 ~0.020mol/L。
膠束的形狀還受到分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量的影響,圖3-3為聚L-谷氨酸-γ-卞酯-乙二醇接枝共聚物(PBLG-g-PEG)在水中自組裝形成膠束的透射電鏡照片。如圖3-3所示,隨著接枝共聚物主鏈PBLG的增長(zhǎng)(相對(duì)分子質(zhì)量分別為20000、60000、 0000),接枝共聚物對(duì)應(yīng)的自組裝膠束形狀依次為近球形(粒徑在20~30nm)、近菱形(長(zhǎng)徑在80nm左右)、紡錘狀(長(zhǎng)徑在 00~ 50nm)。這是由于PBLG具有剛性棒狀分子鏈構(gòu)象,當(dāng)PBLG主鏈長(zhǎng)度變大時(shí),有可能在膠束的核中發(fā)生一定的取向排列,從而產(chǎn)生近菱形、紡錘狀的膠束形態(tài)。
在水介質(zhì)中,帶有龐大或堆積疏松的疏水基和瘦長(zhǎng)疏水基的表面活性劑傾向形成球形的膠束,帶有短而胖和小的密堆積的親水基的表面活性劑,傾向形成層狀或棒狀的膠束。
有兩個(gè)烷基鏈的表面活性劑,在水的介質(zhì)中,傾向形成泡囊。能否形成泡囊取決于烷基的長(zhǎng)度和親水基的性質(zhì)。隨著烷基的長(zhǎng)度增長(zhǎng),親水基之間的靜電排斥減弱,有利于泡囊的形成。如果靜電排斥增強(qiáng),膠束的類型會(huì)發(fā)生變化。
在水溶液中,表面活性劑分子總是按一定方式取向,極性基團(tuán)指向水相,親油基團(tuán)遠(yuǎn)離水相。在離子膠束中,水溶液-膠束界面區(qū)處只有離子性的端頭,水締合的反離子在膠束外層與膠束包含的離子性端頭形成雙電層,其周圍還存在擴(kuò)散層(圖3-4)。在非離子表面活性劑形成的膠束中結(jié)構(gòu)稍有不同,以聚氧乙烯類非離子表面活性劑為例,沒(méi)有反離子的外層,而是存在卷曲狀水合的聚氧乙烯鏈,如圖3-5所示。
具有親疏水鏈短的球形膠束,可以形成殼核結(jié)構(gòu),核為疏水區(qū)域,由疏水鏈段組成,區(qū)域半徑約為疏水鏈完全伸直的長(zhǎng)度;殼層為親水基組成的區(qū)域,是水可滲透層。
在非水介質(zhì)中,膠束的結(jié)構(gòu)與水介質(zhì)相似,但形成的是反膠束(W/O型),親水端在內(nèi),被含有疏水基的外層和非極性溶劑包圍著,偶極-偶極的相互作用把親水基保持在膠束的內(nèi)心。
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