4FG(EO)2表面活性剂构建液态或超临界二氧化碳微乳液的分子动力学模拟研究

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液态或超临界CO2(supercritical carbon dioxide,sc CO2)包水(water in carbon dioxide,w/c)微乳具有纳米尺度微观水核结构且热力学稳定,在制备纳米材料、强化微观化学反应以及萃取、干洗等方面极具应用潜力。然而,w/c微乳形成所需压力一般较高,制约其工业推广。添加助剂是降低压力的有效途径,深入了解降压机理是推动微乳工业化进程的必要条件。另一方面,增大w/c微乳中含水量(W0)可为开发应用带来新的契机,但当下对高含水量微乳的形成原因和稳定性的认识比较欠缺。此外,绿色溶剂离子液体(Ionic Liquid,IL)具有蒸汽压极低、不可燃、高热稳定性等优势,构建新型IL/c微乳可将IL和CO2两种绿色溶剂的优点有机结合,但关于其微观性质的研究还较为匮乏,不利于开发应用。本文以上述三方面为出发点,采用分子动力学模拟方法对1,5-双(1H,1H,2H,2H-全氟烷氧基)-1,5-二氧戊烷-2-磺酸钠(n FG(EO)2,含氟链长度n=4)表面活性剂构建的w/c和IL/c微乳进行研究,以期从原子尺度了解不同体系的微观性质,为理论和实验研究以及开发应用提供指导。主要内容如下:(1)为认清烷基支链长度不同的对烷基苯甲酸钠水凝胶(BA0、BA2和BA8)可降低4FG(EO)2构建w/c微乳所需压力这一宏观现象下的微观机理,本文设计H2O+4FG(EO)2+sc CO2三元模拟体系及H2O+4FG(EO)2+BA0/BA2/BA8+sc CO2四元模拟体系,并系统研究不同体系中形成微乳液滴的微观自组装过程、平衡聚团的整体形貌和内部结构、水凝胶和4FG(EO)2组装行为、界面区域内微观相互作用以及聚团间平均力势能。研究结果表明,水凝胶可加快自组装过程,且加速效果随烷基支链长度增长而逐渐增强,与实验观测水凝胶降压效果的改变规律一致。水凝胶分布于平衡聚团中,不影响聚团的形状和结构,但各具有不同界面构象和分布特性。其中,BA0取垂直于界面构象,BA2发生自结合,BA8则具有径向波动较大的分布特点。上述三种水凝胶各异的构象和界面分布特性均可促使4FG(EO)2取利于液滴稳定的微观构象,从而导致水凝胶与4FG(EO)2在构建sc CO2微乳时有正向协同(降压)效应。其中,BA8的界面波动行为对微乳液滴稳定性具有最优促进作用。(2)为探明4FG(EO)2可成功构建W0高达80的w/c微乳这一实验现象的本质原因,本文设计W0分别为10、20、40和80的H2O+4FG(EO)2+sc CO2三元模拟体系,并针对微乳液滴自组装、聚团平衡形貌和结构、界面区域精细结构以及H2O和CO2在界面内的分布稳定性进行对比研究。研究结果显示,各体系中均可形成稳定微乳液滴。随W0增高,聚团水核暴露面积增多、表面形貌愈发粗糙,表明聚团界面张力减小、更稳定。水和CO2可穿入4FG(EO)2之间构成混合界面区域,界面厚度随W0增大而逐渐增厚。此外,水和CO2径向密度梯度峰与4FG(EO)2中近羰基氧原子密度分布峰位置重合,表明近羰基氧原子是有效亲CO2官能团,可吸引CO2分子,“排挤”水分子,并导致CO2在聚团内界面发生堆积。CO2界面堆积量和分布稳定性均随W0增大而提升,这有助于H2O和CO2混合,强化H2O-CO2相互吸引,从而减小H2O/CO2界面张力、增强界面膜流动性、减小界面膜刚度、增大自然曲率半径,促进含水量大的w/c微乳液滴形成和稳定。(3)鉴于4FG(EO)2在构建w/c微乳时有优异性能,本文进一步将其用于构建新型IL/c微乳,并与N-乙基全氟辛基磺酰胺(NEt FOSA)表面活性剂进行对比,IL选用1,1,3,3-四甲基胍醋酸([TMG][AC])。本文设计[TMG][AC]+CO2二元和[TMG][AC]+4FG(EO)2/NEt-FOSA+CO2三元模拟体系,重点关注两种表面活性剂分裂[TMG][AC]后形成微乳液滴的微观性质,如整体形貌、内部结构、内核中[TMG][AC]结构性质。研究发现,4FG(EO)2和NEt FOSA构建的[TMG][AC]/c微乳液滴均呈椭球状。其中,含4FG(EO)2聚团的形状和大小基本不受增溶离子液体量的影响,有一定“形状记忆”性。与体相[TMG][AC]相比,分布于4FG(EO)2构建聚团中的[TMG][AC],其阴阳离子间配位强度明显减弱,并有一定晶体结构特征;而分布在NEt FOSA构建聚团中的离子液体,[TMG]+与[AC]-的配位强度比体相时有些许强化,即NEt FOSA对内核中[TMG][AC]有一定“限域”作用。前述聚团的“形状记忆”性与内核中[TMG][AC]有晶体结构特征相关,本质上是因Na+与4FG(EO)2磺酸头基可形成非常稳定的网络结构。
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