研究簡(jiǎn)介：針對(duì)長(zhǎng)鏈兩性離子表面活性劑界面分子排布特性研究相對(duì)薄弱的問題，本研究以十八烷基羥丙基磺酸酯（HSB18）為對(duì)象，采用Langmuir單分子層技術(shù)結(jié)合原子力顯微鏡（AFM）表征，系統(tǒng)解析其空氣/水界面單分子層的鋪展行為、相態(tài)演變規(guī)律，同時(shí)探究亞相氯化鈉濃度、pH值、金屬離子價(jià)態(tài)三類環(huán)境因素對(duì)單分子層性能的調(diào)控效應(yīng)，為功能材料界面構(gòu)建、三次采油等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，HSB18可在純水亞相形成穩(wěn)定的Langmuir單分子層，隨表面壓力升高依次經(jīng)歷氣態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張過渡態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張相的轉(zhuǎn)變，未觀測(cè)到凝縮或固態(tài)相，塌陷壓力約為44 mN/m，極限面積為74.8 ?2。

AFM提膜表征進(jìn)一步驗(yàn)證了分子排布的動(dòng)態(tài)變化：5 mN/m時(shí)分子近平鋪于云母基底，高度約0.25 nm，表面粗糙度Sa達(dá)1.331 nm。10~15 mN/m時(shí)逐漸轉(zhuǎn)為均勻片層，分子呈傾斜排列，粗糙度降至0.19 nm；20 mN/m時(shí)形成致密平整的單層結(jié)構(gòu)，高度約1.8 nm；30~45 mN/m時(shí)分子被過度擠壓形成團(tuán)簇并產(chǎn)生部分疊加，高度升至約2.4 nm。

亞相環(huán)境調(diào)控實(shí)驗(yàn)表明，氯化鈉濃度在0~0.8 M區(qū)間時(shí)單分子層呈現(xiàn)先擴(kuò)張后收縮的變化趨勢(shì)，0.8 M時(shí)抬升面積最大（163.43 ?2）、擴(kuò)張性最優(yōu)，0.6 M時(shí)最大壓縮模量降至41.98 mN/m，抗變形能力與可壓縮性達(dá)到最佳，該現(xiàn)象源于Na?對(duì)HSB18磺酸根的靜電吸引與對(duì)季銨頭基的靜電排斥的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)；得益于強(qiáng)酸性的磺酸基團(tuán)與強(qiáng)堿性的季銨基團(tuán)構(gòu)成的內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)，HSB18在pH 3~11范圍內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的酸堿適應(yīng)性，各分子面積參數(shù)隨pH升高呈先增后減趨勢(shì)，pH 9時(shí)抬升面積最大（127.43 ?2），pH 3時(shí)塌陷壓力與最大壓縮模量最高；金屬離子價(jià)態(tài)升高會(huì)推動(dòng)單分子層逐步擴(kuò)張，極限面積與塌陷壓力顯著提升，其中CaCl?體系中HSB18抬升面積僅為120 ?2，分子間吸引力最強(qiáng)、排列最為緊密，AlCl?體系下單分子層可壓縮性最高。整體而言，HSB18可形成性能穩(wěn)定、響應(yīng)可調(diào)的Langmuir單分子層，本研究結(jié)果既豐富了長(zhǎng)鏈磺基甜菜堿的界面理論體系，也為該類表面活性劑的實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用提供了重要參考。

芬蘭Kibron LB 膜分析儀的的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)時(shí)先將對(duì)應(yīng)配方的亞相（純水、0~1.0 M梯度NaCl溶液、pH 3~11緩沖液、MgCl?/CaCl?/AlCl?溶液）注入Langmuir槽，將氯仿溶解的HSB18儲(chǔ)備液取10μL均勻鋪展于亞相表面，靜置待溶劑完全揮發(fā)后，以25℃、滑障對(duì)稱壓縮速率20 mm/min的條件運(yùn)行壓縮等溫模式，采集表面壓力π與平均分子面積A的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，再經(jīng)公式推導(dǎo)得到表面壓縮模量Cs?1，以此完成相態(tài)判定與力學(xué)性能分析；純水體系下依托該設(shè)備得到的π-A等溫線與Cs?-π曲線，明確了HSB18單層隨壓力升高經(jīng)歷氣態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張過渡→液態(tài)擴(kuò)張相的演變路徑，測(cè)得抬升面積121 ?2、塌陷壓44 mN/m等基線參數(shù)，后續(xù)三個(gè)調(diào)控實(shí)驗(yàn)中通過更換對(duì)應(yīng)亞相重復(fù)上述測(cè)試，分別捕捉到NaCl濃度升高時(shí)等溫線先右移后左移、pH變化時(shí)各面積參數(shù)小幅先增后減、金屬離子價(jià)態(tài)升高時(shí)等溫線持續(xù)右移的特征規(guī)律，所有核心界面參數(shù)（抬升面積、極限面積、塌陷壓、最大壓縮模量）均來自芬蘭Kibron LB 膜分析儀的的應(yīng)用的測(cè)試結(jié)果；此外研究還通過LB 膜分析儀的恒壓模式，在5、10、15、20、30、45 mN/m六個(gè)目標(biāo)表面壓下以2 mm/min提膜速率用垂直浸漬法將HSB18單層轉(zhuǎn)移至云母基底，為后續(xù)AFM表征不同壓力下分子排布形貌提供了對(duì)應(yīng)狀態(tài)的樣品，實(shí)現(xiàn)了宏觀界面參數(shù)與微觀形貌的相互印證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究證實(shí)十八烷基羥丙基磺酸酯（HSB18）可在空氣/水界面形成穩(wěn)定可調(diào)的Langmuir單分子層，隨表面壓力升高經(jīng)歷氣態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張過渡態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張相的演變，未出現(xiàn)凝縮或固態(tài)相，純水體系中抬升面積為121 ?2、塌陷壓約44 mN/m、極限面積74.8 ?2，原子力顯微鏡表征進(jìn)一步驗(yàn)證其分子排布隨壓力升高從近平鋪逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜有序、最終形成致密單層并被過度擠壓產(chǎn)生團(tuán)簇疊加的動(dòng)態(tài)過程。亞相環(huán)境對(duì)單層性能具有顯著調(diào)控作用：NaCl濃度在0~0.8 M區(qū)間時(shí)單層先擴(kuò)張后收縮，0.8 M時(shí)擴(kuò)張性最強(qiáng)（抬升面積達(dá)163.43 ?2），0.6 M時(shí)抗變形能力與可壓縮性最優(yōu)（最大壓縮模量低至41.98 mN/m），源于Na?對(duì)磺酸根的靜電吸引與對(duì)季銨頭基的靜電排斥的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)。得益于強(qiáng)酸強(qiáng)堿構(gòu)成的內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)，HSB18在pH 3~11范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的酸堿適應(yīng)性，各分子面積參數(shù)隨pH升高呈先增后減趨勢(shì)，pH 9時(shí)抬升面積最大（127.43 ?2），pH 3時(shí)塌陷壓力與力學(xué)強(qiáng)度最高。

金屬離子價(jià)態(tài)升高會(huì)推動(dòng)單層逐步擴(kuò)張，極限面積與塌陷壓顯著提升，其中CaCl?體系中HSB18抬升面積僅為120 ?2，分子間吸引力最強(qiáng)、排列最為緊密，AlCl?體系下單分子層可壓縮性最高。該研究明確了HSB18單分子層的環(huán)境響應(yīng)規(guī)律，既豐富了長(zhǎng)鏈磺基甜菜堿的界面理論體系，也為其在三次采油、功能涂層等領(lǐng)域的界面設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖1、HSB18的單層特性（a：π-α等溫線，b：表面壓應(yīng)力模量曲線）。

圖2、HSB18單層的原子力顯微鏡（AFM）結(jié)果（a、b、c、d、e 和 f 分別為表面壓力分別為 5、10、15、20、30 和 45 mN/m 的 HSB18 單層的 AFM 圖像和橫截面視圖）。

圖3、NaCl濃度對(duì)HSB18單分子層的影響（a：π-A等溫線；b：表面壓縮模量曲線）。

圖4、不同NaCl濃度下HSB18單層的分子平均面積和塌陷壓力特征參數(shù)（a、b、c、d分別表示起始面積、極限面積、塌陷面積和塌陷壓力）。

圖5、HSB18單層在不同pH下的表現(xiàn)（a：π-A等溫線；b：表面壓縮模量曲線）。

總結(jié)

本研究考察了甜菜堿型表面活性劑十八烷基羥丙基磺基甜菜堿（HSB18）的朗繆爾單分子層性能，以及亞相中氯化鈉（NaCl）濃度、pH值和離子價(jià)態(tài)對(duì)其單分子層性能的影響。結(jié)果表明，HSB18可形成穩(wěn)定的朗繆爾單分子層。隨表面壓力升高，該單分子層依次經(jīng)歷氣態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張過渡態(tài)→液態(tài)擴(kuò)張態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)NaCl濃度為0.8 mol/L時(shí)，HSB18朗繆爾單分子層擴(kuò)張性最強(qiáng)。當(dāng)NaCl濃度為0.6 mol/L時(shí)，單分子層對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性最優(yōu)，抗變形能力與可壓縮性達(dá)到最佳。

隨pH升高，單分子層的抬升面積、極限面積和塌陷面積均呈先升高后降低的趨勢(shì)，塌陷壓力則先下降后逐步趨于穩(wěn)定。隨金屬離子價(jià)態(tài)升高，單分子層逐步擴(kuò)張，極限面積與塌陷壓力均顯著上升；在CaCl?體系中，HSB18單分子層的抬升面積最小，僅為120 ?2，說明此時(shí)分子間吸引力更強(qiáng)，分子排列最為緊密。綜上，HSB18分子可形成穩(wěn)定且性能可調(diào)的朗繆爾單分子層，通過調(diào)控環(huán)境因素即可優(yōu)化其性能，這為實(shí)際應(yīng)用中朗繆爾單分子層的構(gòu)建提供了重要參考。本研究中芬蘭Kibron Langmuir單分子層膜分析儀是界面行為表征的核心設(shè)備，同時(shí)承擔(dān)π-A等溫線測(cè)試與恒壓LB膜轉(zhuǎn)移兩項(xiàng)功能，服務(wù)于HSB18單層基礎(chǔ)性能解析與多因素調(diào)控規(guī)律探究全流程。