胡嵩霜張 磊徐志成宮清濤靳志強張 路,*趙 濉,*

（1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

芐基取代甜菜堿對聚四氟乙烯表面潤濕性的影響

胡嵩霜1,2張 磊1徐志成1宮清濤1靳志強1張 路1,*趙 濉1,*

（1中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

利用座滴法研究了兩性離子表面活性劑芐基取代烷基羧基甜菜堿（BCB）和芐基取代烷基磺基甜菜堿（BSB）在聚四氟乙烯（PTFE）表面上的潤濕性質(zhì), 考察了表面活性劑濃度對接觸角的影響趨勢, 并討論了粘附張力、固-液界面張力和粘附功的變化規(guī)律. 研究發(fā)現(xiàn), 在低濃度時, 表面活性劑通過疏水作用吸附到PTFE表面,疏水鏈芐基取代支鏈化使其在固-液界面上的吸附明顯低于氣-液界面, 接觸角在很大的范圍內(nèi)保持不變. 當(dāng)體相濃度增加到大于臨界膠束濃度（cmc）時, BCB和BSB分子在固-液界面上繼續(xù)吸附, 分子逐漸直立, 造成PTFE-液體之間的界面張力（γSL）進(jìn)一步降低, 表面親水性增加, 接觸角隨濃度增加明顯降低； 另一方面, BSB由于具有較大的極性頭, 在高濃度時空間阻礙作用明顯, 導(dǎo)致其對PTFE表面潤濕性改變程度小于BCB.

兩性離子表面活性劑； 空間位阻； 接觸角； 聚四氟乙烯表面

1 引 言

固體表面的潤濕是人類生活與生產(chǎn)實踐中的重要過程. 沒有潤濕過程，許多生產(chǎn)及生命活動就無法進(jìn)行，例如機械潤滑、注水采油、泡沫浮選、印染、洗滌、植物表面吸收等.1在改變液體對固體表面的潤濕性質(zhì)方面，表面活性劑起著重要作用.表面活性劑分子在固-液界面的吸附量以及吸附分子的排布取向決定了固體潤濕性質(zhì)的改變程度.

聚四氟乙烯（PTFE）是一種具有低能疏水表面的高分子化合物，由于較強的碳-氟鍵，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及相當(dāng)高的耐溫性能，在人們的生活中有著廣泛應(yīng)用. 因此，研究表面活性劑對其表面的潤濕性機理具有一定的理論和應(yīng)用價值. 目前，國內(nèi)外關(guān)于常規(guī)表面活性劑在PTFE的潤濕性研究已初具規(guī)模.2-5隨著表面活性劑科學(xué)的發(fā)展，近年來對于一些新型表面活性劑如Gemini表面活性劑6以及表面活性劑與不同添加劑的復(fù)配體系3，7在PTFE表面的吸附得到了關(guān)注. 結(jié)果表明Gemini表面活性劑由于雙鏈的存在使其分子在固-液界面的吸附量遠(yuǎn)大于在氣-液界面上的吸附量； 另一方面，將表面活性劑進(jìn)行復(fù)配或加入添加劑不僅能夠使表面活性劑在固體表面吸附增加，而且能夠通過降低cmc來減少表面活性劑的使用量. Paria等8也對天然表面活性劑進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與合成表面活性劑在氣-液界面吸附類似，臨界膠束濃度（cmc）同樣是天然表面活性劑在PTFE表面吸附的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)濃度高于cmc時，接觸角與表面張力同時達(dá)到了平衡值. 盡管關(guān)于表面活性劑對PTFE潤濕性研究已經(jīng)有很多報道，但是，文獻(xiàn)報道主要集中在常見商品表面活性劑及其復(fù)配體系，缺乏對系列化的特殊結(jié)構(gòu)表面活性劑的研究，尤其是針對特殊結(jié)構(gòu)甜菜堿的研究.

甜菜堿是一種重要的兩性離子表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)中同時具有正電部分和負(fù)電部分. 由于具有很好的泡沫性能和乳化能力，甜菜堿在提高石油采收率過程中得到了廣泛的應(yīng)用. 除此以外甜菜堿能夠吸附在巖石表面，改變巖石表面的潤濕性. 因此系統(tǒng)研究甜菜堿在固體表面的吸附行為十分重要.本文以自制的兩性離子表面活性劑芐基取代烷基羧基甜菜堿（BCB）和芐基取代烷基磺基甜菜堿（BSB）為模型化合物，利用座滴法研究其在氣-液-固界面上的接觸角，考察疏水鏈芐基取代支鏈化以及極性頭大小對表面活性劑分子在PTFE表面吸附行為的影響，為更好地了解表面活性劑分子改變界面潤濕性質(zhì)的機理提供依據(jù).

2 實驗部分

2.1 實驗材料

芐基取代烷基羧基甜菜堿（BCB）和芐基取代烷基磺基甜菜堿（BSB），純度超過97%，由中國石油天然氣集團(tuán)公司提高石油采收率國家重點實驗室提供，分子結(jié)構(gòu)式見示意圖1.

PTFE片清洗: 首先用軟毛刷蘸取少量洗衣粉進(jìn)行徹底刷洗，刷洗干凈后用大量水沖洗. 將洗凈的PTFE片放入HCl水溶液（1 : 1）中浸泡，之后用蒸餾水沖洗，再在超純水中超聲20 min，在105 °C條件下烘干備用.

2.2 實驗方法

采用DCAT21表面張力測量儀（德國Dataphysics公司）測定各表面活性劑水溶液表面張力. 實驗采用吊片法，溫度控制在（25.0 ± 0.2） °C.

采用OCA20視頻光學(xué)接觸角測量儀（德國Dataphysics公司）測定各表面活性劑水溶液在PTFE表面的接觸角. 實驗中采用座滴法，使進(jìn)樣器的注射針頭形成2.0 μL的液滴，再與操作臺上的PTFE片接觸，通過攝像機所攝到的液滴形狀，經(jīng)過軟件處理，可得到液滴在PTFE表面形成的接觸角θ.實驗結(jié)果取5次測量實驗的平均值，實驗誤差 ＜ 3.0°，溫度控制在（25.0 ± 0.2） °C.

示意圖1 芐基取代烷基羧基甜菜堿（BCB）和芐基取代烷基磺基甜菜堿（BSB）的分子結(jié)構(gòu)式Scheme 1 Formula and abbreviations of BCB and BSB

3 結(jié)果與討論

3.1 BCB和BSB在空氣-水界面的吸附

圖1所示為BCB和BSB水溶液的表面張力隨濃度變化的曲線，即γLV- lgc曲線. 由圖中曲線的轉(zhuǎn)折點得到了BCB和BSB的臨界膠束濃度（cmc）分別約為1.38 × 10-6和1.41 × 10-6molL-1. BCB和BSB是兩性表面活性劑，中性pH條件下以內(nèi)鹽形式存在，分子間不存在靜電排斥力，其cmc遠(yuǎn)低于離子型表面活性劑；9兩種表面活性劑的cmc在數(shù)值上相差不大，這與它們具有相同的疏水鏈有關(guān).

通過Gibbs吸附公式，利用圖1曲線的斜率可以計算得到飽和吸附量（Гmax，（molcm-2））:10

式中NA是阿伏伽德羅常數(shù). 按式（2）計算BCB和BSB在氣-液界面的飽和吸附面積，分別為0.60和0.70 nm2.

圖1 BCB和BSB的氣-液表面張力γ隨lgc變化的曲線Fig.1 Surface tension （γLV） versus logarithm of the concentration （c） for BCB and BSB

圖2 濃度對BCB和BSB在PTFE表面接觸角（θ）的影響Fig.2 Effect of concentration on contact angles （θ） of BCB and BSB on PTFE surface

3.2 BCB和BSB對PTFE表面接觸角的影響

BCB和BSB在PTFE表面的接觸角隨濃度變化呈現(xiàn)了與表面張力不同的趨勢（圖2）. 隨著表面活性劑濃度增大，BCB和BSB的接觸角在較寬的濃度范圍內(nèi)變化不大，維持在112.0°左右；當(dāng)濃度大于5.0 × 10-5molL-1時，接觸角陡降. 兩種表面活性劑濃度對接觸角的影響表現(xiàn)出相近的趨勢，但是BCB接觸角開始降低的濃度略低于BSB，并且在同一濃度條件下BCB接觸角明顯低于BSB. Biswal和Paria11發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)表面活性劑，如TX-100在PTFE表面的接觸角隨著表面活性劑濃度的增加而降低，當(dāng)濃度超過其cmc后接觸角達(dá)到平臺值. Szymczyk12也發(fā)現(xiàn)對于一些特殊表面活性劑如氟表面活性劑在PTFE表面接觸角降低至平臺值的濃度同樣在其cmc附近. 然而本文研究的兩性離子表面活性劑BCB和BSB則在濃度遠(yuǎn)高于cmc時接觸角才開始明顯降低. 這意味著當(dāng)溶液表面吸附達(dá)到飽和時，BCB和BSB還能在固體表面繼續(xù)吸附.

由楊氏方程10可知，平衡接觸角（θ）與三個界面自由能有關(guān)，其關(guān)系如下:

其中γSV、γSL和γLV分別代表固-氣、固-液和氣-液的界面自由能. 由于接觸角受三個界面自由能影響，那么表面活性劑對固體表面潤濕性的改變并非單一因素影響的結(jié)果. 因此在下文中，將通過對BCB和BSB在PTFE表面的粘附張力和固-液界面張力的計算和討論，進(jìn)一步闡明兩性離子表面活性劑在PTFE表面吸附的機制.

3.3 BCB和BSB在PTFE表面的吸附

固體的γSV和γSL是評價固體表面潤濕性能的重要參數(shù).13通常γSV和γSL的差值被定義為表面活性劑在固體表面的粘附張力，它體現(xiàn)了固-液之間的粘附能力. 根據(jù)楊氏方程，粘附張力能夠通過θ和γLV計算，其值為γLVcosθ. 濃度對BCB和BSB在PTFE表面粘附張力的影響見圖3.

由于PTFE是非極性的低能表面，γSV較低，因此極性較大的純水和PTFE之間差異較大，導(dǎo)致γSL較高. 因此，對于純水和低表面活性劑濃度溶液，γSV和γSL的差值為負(fù)； 隨著表面活性劑體系濃度增大，BCB和BSB通過疏水相互作用在PTFE表面吸附，形成親水基指向溶液的吸附層，增加了固體表面極性程度，使γSL降低，粘附張力升高； 當(dāng)體相濃度達(dá)到其cmc值時，BCB和BSB在PTFE表面吸附達(dá)到暫時的飽和，粘附張力保持不變； 當(dāng)體相濃度進(jìn)一步增加，吸附量繼續(xù)增加，粘附張力再次升高，并且BCB的粘附張力增大明顯大于BSB.

Bargeman和Vanvoors14發(fā)現(xiàn)對于疏水固體表面某些表面活性劑水溶液的表面張力和粘附張力（γLVcosθ）間存在著線性關(guān)系. 圖4示出研究的兩種表面活性劑的粘附張力與表面張力的關(guān)系曲線. 可以看出，在低表面活性劑濃度時，BCB和BSB溶液的表面張力與粘附張力均呈較好的線性關(guān)系，其斜率分別是-0.36和-0.39； 當(dāng)體相濃度超過cmc后，曲線中出現(xiàn)了表面張力不變，粘附張力繼續(xù)增加的“垂直”的現(xiàn)象，其中BCB粘附張力增加得更明顯. 說明表面活性劑分子在氣-液界面吸附飽和之后，仍繼續(xù)在PTFE-液界面吸附.

圖3 BCB和BSB濃度對PTFE表面粘附張力（γLVcosθ）的影響Fig.3 Effect of concentration of BCB and BSB on adhesional tension （γLVcosθ） on PTFE surface

圖4 BCB和BSB的粘附張力與表面張力的關(guān)系曲線Fig.4 Dependence between the adhesional tension and surface tension of BCB and BSB

為了得到表面活性劑分子在固-氣，固-液和氣-液界面上的吸附關(guān)系，Lucassen-Reynders結(jié)合楊氏方程和Gibbs公式，提出了通過γLVcosθ-γLV關(guān)系研究界面相對吸附的經(jīng)驗方法，其公式如下:15

式中ГSV、ГSL和ГLV分別代表表面活性劑在固-氣、固-液和氣-液界面的吸附量. 通常情況下，一般假設(shè)ГSV= 0（固-氣界面沒有與溶液接觸，不存在表面活性劑吸附），那么通過對圖4中cmc之前γLVcosθ-γLV曲線擬合，得到BCB和BSB的ГSL/ГLV值分別為0.36和0.39. 根據(jù)ГSL/ГLV值和其在氣-液界面的飽和吸附量，利用式

（2）可以推算出在cmc之前分子在PTFE表面的最小吸附面積分別是1.67和1.79 nm2. 可以看出，兩種表面活性劑在PTFE表面的ГSL/ГLV值遠(yuǎn)小于1，這表明BCB和BSB在PTFE-水界面吸附量明顯低于氣-液界面. 文獻(xiàn)10，16中曾報道對于線性的常規(guī)表面活性劑如TX-100，AOT，其ГSL/ГLV值均接近1； 而對于疏水鏈支鏈化的陽離子表面活性劑（C16GPC），17ГSL/ГLV的值為0.47，其值小于同系列的直鏈表面活性劑C16PC（ГSL/ГLV= 0.75），表明疏水鏈支鏈化所導(dǎo)致的空間阻礙效應(yīng)對固-液界面上吸附的影響較大. 另一方面，文獻(xiàn)18中報道的柔性的烷基鏈取代支鏈化甜菜堿，其ГSL/ГLV值為0.39，與本文研究的剛性的芐基取代支鏈化甜菜堿所得到的數(shù)值相差不大，說明在支鏈上引入剛性苯環(huán)并沒有增加疏水鏈支鏈化對表面活性劑在固-液界面上的吸附影響.

表面活性劑在固-液界面上的吸附能夠改變γSL，但是目前對于γSL并沒有直接的方法可以測量，因此只能通過測得表面活性劑溶液的γLV和在PTFE表面接觸角θ的值，同時測得PTFE固體表面張力為22.34 mNm-1，17再利用楊氏方程（方程（3）），可以計算出PTFE-液體之間的界面張力γSL. 圖5所示為BCB和BSB的PTFE-液體界面張力隨濃度變化的曲線.

如前所述，BCB和BSB都是通過疏水作用吸附在PTFE表面，親水基朝外，增大PTFE表面極性，降低γSL； 當(dāng)體相濃度達(dá)到cmc后，表面活性劑分子在氣-液界面上吸附達(dá)到飽和，在固-液界面上暫時維持飽和單層，γSL隨濃度不再變化，多余的表面活性劑分子在溶液中形成膠束； 對于BCB，濃度繼續(xù)增大至5.0 × 10-5molL-1后，表面活性劑分子再度開始在固-液界面上吸附，γSL隨之降低. 而對于BSB，只有當(dāng)濃度增大到1.0 × 10-4molL-1后，γSL才開始隨之降低.

為了驗證圖4關(guān)于在PTFE-液界面吸附量的間接計算，通過Gibbs吸附公式，從圖5數(shù)據(jù)中計算得到BCB和BSB在PTFE-液界面的飽和吸附量； 在體相濃度小于cmc階段，計算值分別為1.62和1.75 nm2，與前文通過ГSL/ГLV值推算出來的1.67和1.79 nm2十分吻合. γSL-lgc曲線在濃度大于cmc階段，γSL再次大幅度降低，說明cmc后兩種表面活性劑分子在PTFE表面的吸附量再次增加. 更有意思的是，BCB的斜率（15.18）明顯大于BSB的斜率（8.11），也就是說，在高濃度時，BCB的吸附量明顯大于BSB，對PTFE表面的親水改性程度更高，這可能的原因是: 兩種表面活性劑具有相同的疏水鏈，但是由于BSB具有較大的親水基團(tuán)，其產(chǎn)生的空間阻礙效應(yīng)對固-液界面上的吸附有一定的影響.

圖5 BCB和BSB濃度對PTFE-水界面張力（γSL）的影響Fig.5 Effect of BCB and BSB concentrations on the PTFE-solution interfacial tensions （γSL）

圖6 BCB和BSB濃度對PTFE表面粘附功（WA）的影響Fig.6 Effect of BCB and BSB concentrations on the adhesion work （WA） of PTFE surface

3.4 BCB和BSB在PTFE表面的粘附功WA

根據(jù)液體潤濕固體過程的自由能變化，固-液界面張力能寫成以下形式:19

另一方面，通過所測得的表面張力和接觸角數(shù)值，將方程（5）代入楊氏方程，可以得到:

根據(jù)公式（6）計算得到的BCB和BSB溶液在PTFE表面的粘附功數(shù)據(jù)見圖6. 從圖中可以看出，BCB和BSB溶液在PTFE表面的粘附功隨著濃度的增加先降低，達(dá)到平臺后再增加. 對于文獻(xiàn)報道的陽離子表面活性劑（C12（EDMAB）和BDDAB）20和陰離子表面活性劑（AOT），16表面活性劑分子在氣-液界面和固-液界面上的吸附能力相當(dāng)，隨濃度增大，γSL和γLV變化的幅度也相當(dāng)，因此這三種表面活性劑在PTFE表面的WA隨濃度變化不大，均在46.00 mJm-2左右. 同時，文獻(xiàn)也報道了對于一些非離子表面活性劑（TX-100和lgepal CO-630），10表面活性劑分子在氣-液界面和固-液界面上的吸附能力不相當(dāng)，因此這兩種表面活性劑在PTFE表面的WA隨濃度增加而降低； 但在濃度超過cmc后，表面活性劑分子在氣-液界面和固-液界面上的吸附均達(dá)到飽和，因此粘附功在cmc后達(dá)到平臺值.

而對于本文研究的表面活性劑BCB和BSB，cmc之前其在固-液界面上的吸附明顯低于在氣-液界面上的吸附，隨著濃度增大，γSL降低的幅度較小，WA降低達(dá)到平臺值分別為20.00和21.00 mJm-2； 當(dāng)濃度大于cmc時，BCB和BSB在氣-液界面的吸附達(dá)到飽和，γLV不變，同時其在固-液界面的吸附達(dá)到暫時飽和，γSL不變，WA保持不變； 需要注意的是，當(dāng)濃度繼續(xù)增加到5.00 × 10-5molL-1時，BCB和BSB在氣-液界面的吸附仍然是飽和狀態(tài)，但表面活性劑分子除形成膠束外，開始繼續(xù)在固-液界面吸附，γSL再次降低，WA開始升高. 由上述實驗結(jié)果可以推知: 疏水烷基芐基取代支鏈化增大表面活性劑在疏水固體表面吸附的驅(qū)動力. 因此，表面活性劑分子在遠(yuǎn)大于cmc之后繼續(xù)向PTFE表面吸附.

3.5 表面活性劑在PTFE表面的吸附機制

在系統(tǒng)考察BCB和BSB分子在氣-液界面和固-液界面上的吸附行為的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步詳盡討論其對接觸角的影響機理，將表面張力、接觸角和粘附張力隨濃度的變化趨勢整理在圖7中.

從圖7可以看出，BCB和BSB對PTFE表面潤濕性的影響均可以分為4個階段，接下來以BCB為例，詳細(xì)分析芐基取代支鏈化兩性離子表面活性劑在PTFE表面吸附的4個階段.

（1） 第一階段（1.0 × 10-8- 1.0 × 10-7） molL-1，表面活性劑濃度較低，在固液和氣液界面的吸附都相對較少、表面張力、接觸角和粘附張力等參數(shù)隨濃度幾乎不變.

（2） 第二階段（1.0 × 10-7- 1.0 × 10-6） molL-1，表面活性劑濃度逐漸增大，由于表面活性劑在氣-液界面吸附，γLV明顯降低，有利于接觸角增大； 同時表面活性劑在PTFE-液界面吸附導(dǎo)致γSL降低，粘附張力增大，促使接觸角降低. 由于γLV降低和粘附張力增大兩個因素對接觸角的影響相互抵消，接觸角在這個階段幾乎保持不變.

（3） 第三階段（1.0 × 10-6- 5.0 × 10-5） molL-1，體相濃度超過了其cmc，表面活性劑分子在氣-液界面形成了飽和吸附層，γLV保持不變. 另一方面，與我們之前報道的陽離子表面活性劑17不同的是: BCB表面活性劑分子并沒有直接在PTFE表面繼續(xù)吸附，而是形成了暫時的飽和吸附層，γSL保持不變. 因此表面張力、接觸角和粘附張力等參數(shù)在這個階段隨濃度幾乎不變.

（4） 第四階段（5.0 × 10-5- 5.0 × 10-4） molL-1，體相濃度進(jìn)一步增加，表面活性劑在體相中形成膠束，在氣液界面上吸附飽和，γLV仍然保持不變； 但表面活性劑分子繼續(xù)在PTFE-液界面上吸附，分子逐漸直立，吸附量明顯增加，γSL再次降低，粘附張力再次增大. 由于此時只有造成接觸角降低的因素起作用，因此接觸角陡降.

圖7 BCB和BSB在PTFE表面吸附參數(shù)的濃度依賴性Fig.7 Concentration dependence of the adhesion data of BCB and BSB on PPFE surface

圖8 BCB和BSB在PTFE表面吸附的機理模型Fig.8 Schematic model of BCB and BSB molecules adsorbed on the PTFE surface

表面活性劑分子結(jié)構(gòu)決定了其在固體表面的吸附特性. 本文研究的芐基取代甜菜堿BCB和BSB在PTFE表面的吸附機理示意圖見圖8. 疏水烷基的芐基取代支鏈化造成的空間阻礙作用對表面活性劑的吸附有著重要影響. 這種阻礙作用對表面活性劑分子在固-液界面上的吸附影響遠(yuǎn)大于在氣-液界面上的吸附影響. 根據(jù)前文得到的cmc前BCB和BSB分子在PTFE表面上的最小吸附面積，可以推測此時表面活性劑分子疏水鏈的多個亞甲基基團(tuán)以及支鏈的芐基基團(tuán)均與PTFE作用. 當(dāng)濃度達(dá)到cmc時，表面活性劑分子在氣-液界面上吸附達(dá)到飽和體相中膠束形成. 當(dāng)濃度繼續(xù)增加，表面活性劑繼續(xù)在固-液界面上吸附，此時分子逐漸直立，支鏈化的空間阻礙作用變?nèi)酰肿游搅吭黾? 與BCB不同的是，BSB不僅具有較大的親水基而且還存在羥基，因此BSB在固體表面的吸附情況更為復(fù)雜. 一方面，較大的親水基導(dǎo)致的空間位阻作用明顯，使BSB分子在PTFE表面吸附的量較少，粘附張力增加的幅度較BCB有所減弱，故接觸角隨濃度降低的幅度較BCB明顯減弱； 另一方面，羥基的存在能形成分子間的氫鍵，使BSB分子在PTFE表面排列得更為緊密，表面活性劑分子的吸附量增加，從而使BSB改變PTFE表面潤濕能力較BCB明顯增強. 但是，實驗結(jié)果卻顯示BCB在PTFE表面的吸附能力更強，這說明親水基帶來的空間位阻作用對BSB在PTFE表面的吸附影響更大.

圖9 QCM測得的BSB在PTFE表面吸附質(zhì)量隨濃度變化曲線Fig.9 Mass adsorbed on PTFE surface determined by the quartz crystal microbalance （QCM） for BSB with concentration dependence

為了證明甜菜堿表面活性劑在PTFE表面的吸附機理，我們利用石英晶體微天平（QCM）測定了BSB在PTFE表面的吸附量，詳細(xì)的實驗過程在文獻(xiàn)中已有報道.17如圖9所示，BSB在PTFE表面的吸附量隨濃度的增加而逐漸增加，在cmc附近達(dá)到一個平臺值. 但是，當(dāng)濃度繼續(xù)增加到高于5.00 × 10-5molL-1，吸附量再次增加. 這與圖8所示的機理一致，驗證了BCB和BSB在濃度遠(yuǎn)大于cmc時會再次吸附的推測.

4 結(jié) 論

利用座滴法研究了兩性離子表面活性劑芐基取代烷基羧基甜菜堿（BCB）和芐基取代烷基磺基甜菜堿（BSB）在PTFE表面上的吸附機制和潤濕性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn): 在低濃度范圍內(nèi)，表面活性劑分子通過疏水作用吸附在PTFE表面，分子以接近平躺的方式吸附到固體表面上，因此芐基取代支鏈化造成的空間阻礙較大，BCB和BSB分子在PTFE-液界面上的吸附明顯低于在氣-液界面上的吸附. 另一方面，分子在PTFE-液界面和氣-液界面上的吸附造成γSL和γLV同時降低，對于接觸角的影響趨勢相反且影響程度相近，因此接觸角在cmc前不變. 當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到其cmc時，表面活性劑分子在PTFE-液界面和氣-液界面上的吸附均達(dá)到飽和，因此表面張力、接觸角、粘附張力和粘附功等參數(shù)在這個階段隨濃度幾乎不變. 當(dāng)濃度進(jìn)一步增加，對于BCB，分子在氣-液界面上吸附達(dá)到飽和，但在PTFE-液界面上繼續(xù)吸附，γSL明顯降低，接觸角陡降； 對于BSB，尺寸較大的親水基團(tuán)造成其在PTFE-液界面再次吸附的吸附量較小，粘附張力增加的幅度較BCB有所減弱，故接觸角隨濃度降低的幅度較BCB明顯減弱. 總之，通過本文的研究獲得了分子結(jié)構(gòu)對甜菜堿在聚四氟乙烯表面吸附的影響規(guī)律，為我們進(jìn)一步了解如何控制甜菜堿在固體表面吸附提供了理論基礎(chǔ).

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Effect of Benzyl-Substituted Alkyl Betaine on the Wettability of a Poly（tetrafluoroethylene） Surface

HU Song-Shuang1,2ZHANG Lei1XU Zhi-Cheng1GONG Qing-Tao1JIN Zhi-Qiang1ZHANG Lu1,*ZHAO Sui1,*
（1Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，P. R. China；2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，P. R. China）

The wetting properties of aqueous solutions of zwitterionic surfactants, benzyl-substituted alkyl carboxylbetaine （BCB）, and benzyl-substituted alkyl sulfobetaine （BSB） on a poly（tetrafluoroethylene） （PTFE）surface were investigated using sessile drop analysis. The influences of surfactant concentration on surface tension, contact angle, adhesional tension, PTFE-solution interfacial tension （γSL） and adhesion work were examined. The results indicate that at low bulk concentration, surfactant molecules adsorb onto PTFE through hydrophobic interactions. Moreover, the adsorption of branched surfactants on the air-solution interface is higher than that on the PTFE-liquid interface and the values of contact angle for BCB and BSB remain almost constant over a wide range of surfactant concentrations. The adsorption of BCB and BSB molecules on PTFE are greatly enhanced again when the bulk concentration exceeds the critical micelle concentration. The molecules straighten, with hydrophilic group oriented towards the bulk phase, resulting in a decrease in γSLand a decrease in contact angle. The introduction of larger polar group in BSB makes it difficult to change the contact angle to the same extent as BCB at high surfactant concentrations because of steric effects.

Zwitterionic surfactant； Steric effect； Contact angle； Poly（tetrafluoroethylene） surface

June 26，2015； Revised: September 1，2015； Published on Web: September 6，2015.

s. ZHANG Lu，Email: luyiqiao@hotmail.com； Tel: +86-10-82543587. ZHAO Sui，Email: zhaosui@mail.ipc.ac.cn；Tel: +86-10-82543587.

O648

10.3866/PKU.WHXB201509061

The project was supported by the National Science & Technology Major Project，China （2011ZX05011-004） and National Natural Science Foundation of China （51373192）.

國家科技重大專項（2011ZX05011-004）和國家自然科學(xué)基金（51373192）資助項目