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界面張力儀評估氨基化氧化石墨烯-脂肪酸共吸附機制、應用潛力（四）
來源：應用化學 瀏覽 12 次 發布時間:2025-10-30
固定NH2-PEG-GO質量濃度（0.1 mg/mL），分析改變正辛烷溶液中PA質量濃度時界面張力的變化情況。動態界面張力的演變如圖7所示，當正辛烷中PA質量濃度小于5 mg/mL時，即使加入微量的NH2-PEG-GO（0.1 mg/mL）就能夠顯著降低界面張力，相比于不添加NH2-PEG-GO時的情況降低了約15 mN/m。然而，隨著PA質量濃度的增加（0.005~5 mg/mL），界面張力僅從32 mN/m降低到25 mN/m（圖7B）。在不添加NH2-PEG-GO時，隨PA質量濃度增加（0.005~5 mg/L），界面張力的下降值則約為20 mN/m（圖7A）。這表明NH2-PEG-GO的添加使得PA在界面上吸附減少，NH2-PEG-GO成為降低界面張力的主導因素。然而隨著PA質量濃度升高，PA的界面吸附量逐漸達到飽和，少量NH2-PEG-GO的存在不會顯著降低界面張力。當PA的質量濃度達到5 mg/mL時，存在0.1 mg/mL NH2-PEG-GO僅比不存在時降低了約2 mN/m，這是由于此時界面被PA占滿，沒有足夠的空間供NH2-PEG-GO進行吸附。
圖7水相中NH2-PEG-GO質量濃度為（A）0 mg/mL和（B）0.1 mg/mL時，正辛烷/水之間的界面張力隨PA質量濃度的變化曲線
為了進一步分析各組分對界面張力的貢獻，分別計算了0.1、0.5和2.5 mg/mL NH2-PEG-GO和不同質量濃度PA的平衡表面壓力ПBM、各組分單獨添加時表面壓力ПPA、ПGO以及這兩部分表面壓力的加和ПΣ，表面壓力根據以下關系式（公式（7））進行計算。
ПBM/ПΣ反映了PA與NH2-PEG-GO對界面張力影響的累積效應。在所有研究條件下，ПBM/ПΣ<1，這表明在吸附后期PA與NH2-PEG-GO之間存在競爭吸附。并且，隨著PA、NH2-PEG-GO質量濃度增加ПBM/ПΣ值減小，表明PA與NH2-PEG-GO之間競爭增強（圖8）。
圖8 PA和NH2-PEG-GO在不同質量濃度條件下的ПBM/ПΣ，t=1000 s
2.5脂肪酸鏈長度與質量濃度對NH2-PEG-GO水-油界面張力的影響
在前面的分析中，選用了軟脂酸（C16）作為研究對象。同時也研究了脂肪酸鏈長度對脂肪酸與NH2-PEG-GO界面共吸附行為的影響，將不同烷基鏈長度的脂肪酸（正癸酸（C10）、軟脂酸（C16）、花生酸（C20））溶解于正辛烷，固定水相中NH2-PEG-GO質量濃度（0.1 mg/mL），進行界面張力測試。
對比不同鏈長脂肪酸在不同質量濃度時的動態界面張力（圖9A－9C），發現雖然脂肪酸在正辛烷中的擴散系數隨著碳鏈的增長而減小（表2），但添加高質量濃度C20酸時，界面張力值到達平衡的時間明顯縮短，這表明脂肪酸烷基鏈長度會影響脂肪酸在界面的性質。并且發現脂肪酸烷基鏈越長，與NH2-PEG-GO協同穩定的水-正辛烷界面張力越低。并且隨著脂肪酸質量濃度增加，烷基鏈鏈長增加對界面張力降低效果越明顯（圖9D）。
圖9不同質量濃度、不同烷基鏈長度脂肪酸（A）C10、（B）C16和（C）C20在NH2-PEG-GO水-正辛烷溶液之間界面張力隨時間演變曲線及（D）不同烷基鏈長度脂肪酸的平衡界面張力隨脂肪酸質量濃度變化曲線，NH2-PEG-GO質量濃度固定為0.1 mg/mL
表2脂肪酸分子的基本參數
當利用不同鏈長的脂肪酸與NH2-PEG-GO協同穩定水-油界面張力時，界面張力的降低需要考慮來自烷基鏈結構對界面張力的影響：研究發現脂肪酸的烷基鏈越長，其在界面排列的有序度越高，烷基鏈傾向于垂直于界面排列，在界面形成更緊密堆積的吸附層。同時還發現，脂肪酸的親水羧基在界面上存在兩種不同的狀態，即未解離的—COOH和帶負電荷的—COO-。當正辛烷中脂肪酸的質量濃度增加時，吸附在水-油界面上的脂肪酸分子間距離將逐漸拉近，此時脂肪酸分子疏水烷基鏈之間的范德華吸引相互作用以及—COOH與—COO-基團之間的離子-偶極吸引相互作用隨之增強，并且發現這兩種吸引相互作用將隨烷基鏈長度的增加而增強，而吸引相互作用的增強也會縮短脂肪酸分子間距離，有利于分子在界面形成致密吸附層，從而有效降低界面張力。這可以解釋在添加高質量濃度脂肪酸時，長鏈脂肪酸能更有效地降低界面張力的現象。
3結論
利用界面張力儀研究氨基化氧化石墨烯（NH2-PEG-GO）質量濃度、脂肪酸質量濃度以及脂肪酸鏈長度對于NH2-PEG-GO與脂肪酸在水-油界面共吸附動力學的影響。
結果表明，脂肪酸在吸附平衡階段為擴散控制的過程，而NH2-PEG-GO在界面吸附平衡階段符合混合動力學吸附機制，吸附過程存在能量勢壘。當NH2-PEG-GO與脂肪酸共吸附時，二者存在協同效應。通過分析單個組分對總界面壓力的影響，發現前期界面張力降低是由脂肪酸吸附引起，而NH2-PEG-GO的存在顯著影響吸附后期的水-油界面張力值。而且在吸附后期，NH2-PEG-GO和脂肪酸分子之間存在競爭吸附，隨著PA、NH2-PEG-GO質量濃度增加，二者的競爭吸附增強。同時，脂肪酸鏈長的增加有利于NH2-PEG-GO與PA在界面形成更致密的吸附層，從而更有效地降低界面張力。這些結果可以為NH2-PEG-GO在驅油領域的應用提供新的思路。