Page 136 - 《精细化工》2020年第2期

·338· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

由图 4 可知，γ 值最初随着浓度的增加而降低， 触角随 GS-S 浓度变化的示意图见图 6。石蜡膜具有
然后趋于稳定。表面张力的降低归因于表面活性剂 低能的聚合物表面，去离子水在石蜡膜上的接触角
的疏水部分，这导致表面活性剂分子在水相的界面或 在 110°左右。石蜡膜上的接触角随着表面活性剂浓
表面上吸附。吸附在界面上的表面活性剂分子相较于 度增大和测试时间的持续增加而降低，这种现象归
水分子间的相互作用力减弱，导致溶液的表面张力降 因于界面上表面活性剂分子的增加（图 6）。当表面
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低。在临界胶束浓度时，空气-水界面上表面活性剂分 活性剂的浓度大于 1.0×10 mol/L 时，接触角降至
子吸附达到饱和，过量的表面活性剂分子在体相中开 90°以下，说明表面活性剂已经改变了水在石蜡膜表
始形成胶束，表面张力趋于平稳，不再发生变化。 面的润湿状态。表面活性剂浓度的增加导致初始接
不同表面活性剂分子在气液界面上的吸附状态 触角的降低，该现象可归因于分子在水/空气界面上
可通过吸附参数的比对来进行说明。GS-S 的临界胶 的快速吸附动力学。随着时间的延长，接触角不再
束浓度（CMC）与临界表面张力（γ CMC ）可直接由 发生变化，说明液固界面上的吸附已经达到饱和 [19] 。
图 4 中得出。使用公式（1）、（2）对饱和吸附量（Г max ）、
单个分子占有的最小表面积（A min ）进行计算。
1    
 max    （1）
nT 
2.303 R  logc T 
1
A min  （2）
N  max
A
2
式中：Г max 是饱和吸附量（μmol/m ）；γ 为表面张力
（mN/m）；n 是常数，该常数取决于吸附在界面上
的表面活性剂的离子种类，双子表面活性剂取
3 [16-17] ；R 为摩尔气体常数〔8.314 J/(mol·K)〕；T 为
图 5 不同浓度下 GS-S 的接触角随时间的变化曲线
热力学温度（K）；c 为表面活性剂的浓度（mol/L）； Fig. 5 Plots of contact angle versus time for GS-S at
（∂γ/∂logc） T 是表面张力与浓度关系曲线的斜率； different concentrations
2
A min 是单个分子占有的最小表面积（nm ）；N A 为阿
－1
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伏伽德罗常量（6.022×10 mol ）。
CMC、γ CMC 及 Г max 、A min 等吸附参数列于表 1。
由表 1 可知，GS-S 具有更高的表面活性，CMC 为
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2.3×10 mol/L，γ CMC 为 28.43 mN/m。这种现象可
以解释为，GS-S 分子中同时存在两个季铵基团和一
个硫酸酯基，在无盐的情况下，其中的一个季铵基团

会被硫酸酯基中和，相对于 GS-O 来说，会缩小分子
图 6 400 s 时接触角随 GS-S 浓度变化的示意图
头基所占的体积并降低分子间的排斥力，使分子更紧
密地排列在空气-水的界面上来降低表面张力 [16] 。 Fig. 6 Schematic diagram of change of contact angle with
concentration of GS-S at 400 s

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表 1 两种双子表面活性剂在气液界面上的吸附参数 如图 5 所示，在 GS-S 的浓度达到 1.0×10 mol/L
Table 1 Adsorption parameters of two Gemini surfactants 后，接触角长时间稳定在 64°附近。与酰胺型阳离
at air-liuqid interface [20]
子双子表面活性剂 （接触角降至 75°）相比，GS-S
CMC/ γ CMC/ Г max/ A min/
2 2 降低接触角的能力更强。这种现象的解释与 GS-S
（mmol/L） （mN/m） （μmol/m ） nm
具有更低表面张力的解释相似。相对于 GS-O 来说，
GS-O 1.19 36.78 0.58 2.86
GS-S 分子中的一个季铵基团被中和，这降低了分子
GS-S 0.23 28.43 0.94 1.76
间的静电斥力，使吸附在界面上的分子排列更加紧
2.4 润湿性 密，从而使其降低接触角的能力更强 [16,21] 。
润湿性可以由表面活性剂溶液在疏水膜（石蜡 2.5 油/水界面张力（IFT）
膜）上的接触角大小来测定。如果液滴的滴度小于 界面张力可用于评估表面活性剂在驱油中的适
90°，则表面称为高润湿性；如果液滴的滴度大于 用性。表面活性剂的作用机制表明表面活性剂可吸
90°，则表面称为低润湿性 [18] 。石蜡膜上的接触角随 附在油/水界面上从而降低油/水界面张力。较低的油/
表面活性剂浓度和时间的变化关系如图 5 所示；接 水界面张力有助于发生反向润湿，从而削弱储层岩