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离子液体因其具有独特的物理化学性质已引起人们广泛关注,它在催化反应、萃取分离和蒸馏、清洁溶剂、电池电解液、润滑剂、传热介质等方面有着广阔的应用价值。近年来的研究表明,离子液体还可以作为表面活性剂或表面活性添加剂,在合成介孔、纳米材料等方面已表现出潜在的应用前景,但这方面的研究还处于起步阶段,基础研究相对薄弱。本文对离子液体及其与表面活性剂混合系统的表面性质及溶液结构进行了系统研究,以期为离子液体的应用提供基础数据和理论依据。
首先合成了溴化-1-n-烷基-3-甲基咪唑类离子液体[Cnmim][Br](n=4,6,8,12),测定了表面张力并以芘为荧光探针确定了离子液体的极性。研究表明,离子液体的表面张力大于烷烃类的有机溶剂而小于水的表面张力,其极性比水小,且表面张力和极性随离子液体碳链的增长而降低。该类离子液体的阳离子具有两亲结构,有一定的表面活性,在水溶液中的临界胶束浓度低于相同链长的烷基三甲基溴化铵的临界胶束浓度。
将长碳链的离子液体型表面活性剂[C8mim][Br]和[C12mim][Br]与阳离子表面活性剂Gemini12-3-12和DTAB及阴离子表面活性剂SDS进行复配,研究了复配溶液的性质,采用Rubingh等模型预测了混合表面活性剂的临界胶束浓度和混合胶束的组成。研究发现,表面活性剂分子结构的匹配性及带电头基之间的相互作用是影响溶液性质的主要因素,表面活性高的组分在混合胶团中的含量也高,且在胶团中所占的比例高于体相中该表面活性剂的比例。[C12mim][Br]与SDS按一定的摩尔比混合后可将溶液的表面张力降到约23dyn/cm,效果明显优于传统表面活性剂DTAB与SDS的复配。
短碳链离子液体对Gemini12-3-12水溶液的临界胶束浓度及胶束聚集体有较大影响,Gemini12-3-12溶液的临界胶束浓度随离子液体浓度的增加会出现最低点。当Gemini12-3-12浓度一定时,聚集体的粒径随[C4mim][Br]含量的增多而逐渐增大,直至产生沉淀,其行为与系统中添加NaBr类似。而添加[C6mim][Br]和[C8mim][Br]后,聚集体的粒径则先增大后减小,且未观察到沉淀出现。用离子液体取代传统微乳液中的油相,成功地制备了含嵌段共聚物F127的离子液体微乳液,用多种手段证实了微乳液中存在水包油、双连续和油包水等类型,并发现添加正丁醇后有液晶相存在。此外,还探索了K3Fe(CN)6及芘探针分子在离子液体微乳液中的溶解现象。
将离子液体视为链状流体,用链状流体状态方程成功地关联了离子液体的pVT性质,并考察了二氧化碳等气体在其中的溶解度,结果令人满意。为从已知离子液体的pVT预测更多同族系列(仅阳离子取代基不同)离子液体的pVT数据,可以把离子液体设想成异核链状共聚分子,并用共聚高分子状态方程成功地关联和预测了离子液体与有机溶剂混合系统的汽液平衡。