納米流體改變界面潤濕性的綜合實驗設計

趙明偉，宋旭光，李 陽，張博涵

（中國石油大學（華東）石油工程學院，非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東青島 266580）

0 引言

潤濕是固體表面流體置換的過程，氣-固（v-s）和固-固（s-s）界面的接觸角通過宏觀監測手段觀察不到，而液體在固體表面的潤濕現象可以通過一些顯像設備即可進行測量。液體在固體表面上的接觸角是衡量液體對固體表面潤濕性能的重要參數［1-2］。液體在固體表面的潤濕涉及熱力學、吸附動力學及膠體與界面化學的交叉，因而研究液體在固體表面的潤濕性能，對研究醫藥［3］、半導體、化妝品和石油開采［4］等都具有重要意義。

液體與固體表面接觸時有兩種潤濕的情況［5-6］。第1種情況，當液體完全潤濕固體表面，反映在兩相界面是液體在固體表面的接觸角為0°。第2種情況，當液體部分潤濕或完全不潤濕固體表面，即液體在固體表面形成有一定角度的液滴。若固體對某種液體的接觸角越大，表明該液體越不容易對固體表面潤濕［7-9］。固體材料對水的接觸角越小，表明材料的親水性越強，即親油性越弱［10］。接觸角測量方法可以按不同的標準進行分類［11］。按照直接測量物理量的不同，可分為量角法、測力法、長度法和透過法［12-13］。測量時按照三相接觸線的移動速率可分為靜態接觸角和動態接觸角［14］。按照測試原理又可分為靜止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕獲氣泡法、毛細管上升法和斜板法［15］。

綜合實驗設計中所用液體必須具備改變界面效果明顯的特點，因而選用應用較為廣泛的納米流體。21世紀以來，納米技術逐漸進入人們的視野，已成為人們研究的熱點［16-18］。本實驗主要研究納米二氧化硅與TX-100的匹配關系，制備穩定分散的納米流體，并研究其分散穩定性，進一步探討納米流體對固液界面潤濕性改變的作用。本實驗融合了界面化學、材料、吸附等理論知識，結合多種儀器技術，非常適合作為綜合性實驗或開放性實驗面向高年級本科生開設。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

試劑：納米二氧化硅，TX-100，氫氧化鈉，NaCl等均為分析純。

儀器：電子天平，磁力攪拌器，超聲波清洗機，TECNAIG20型透射電子顯微鏡（TEM），S-4800型掃描電子顯微鏡（SEM），激光粒度儀，接觸角測量儀。

1.2 納米流體的制備

取一定質量疏水納米二氧化硅顆粒與一定比例的TX-100復配，再加入一定量去離子水配制一定濃度的水基活性納米流體，加入1 mol／L的NaOH溶液調節pH＝10，機械攪拌后超聲分散120 min，繼續攪拌直至澄清透明。

1.3 納米流體的表征

制備濃度為0.1%的納米流體，然后通過TEM和SEM對納米流體的微觀形貌進行表征。

1.4 分散穩定性評價

納米流體的濃度以及納米顆粒與TX-100的配比是影響納米流體分散穩定性的重要因素，實驗中設置不同濃度和不同配比關系的納米流體。對納米流體的粒徑和zeta電位分別測量，以評價納米流體的分散穩定性。

1.5 界面潤濕性測量

采用光學投影法測定納米流體改變表面潤濕性能，實驗中采用經過處理的油濕的石英片模擬疏水表面。首先進行動態接觸角測量，將石英片置于NaCl溶液、TX-100溶液和納米流體中老化，測定石英片的潤濕性隨時間變化的改變程度。緊接著進行靜態接觸角的測量，測定不同濃度和不同配比下納米流體中浸泡的石英片的接觸角。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

納米流體的TEM和SEM圖如圖1所示，納米二氧化硅顆粒為近似球形，其粒徑主要分布在30 nm左右，納米顆粒的形貌均一，分散性好，無明顯團聚。

圖1 納米流體的形貌

2.2 穩定性評價

為了評價納米顆粒濃度對二氧化硅納米流體穩定性的影響，測量一系列不同濃度和不同配比的二氧化硅納米流體的粒徑與zeta電位，實驗結果如圖2所示。結果表明，粒徑的變化趨勢與zeta電位值的變化趨勢有明顯的對應關系。當zeta電位值較大時，引起靜電斥力增加，則水力半徑減小。隨著二氧化硅納米顆粒濃度的增加，二氧化硅納米流體的粒徑減小，zeta電位的絕對值增大，表明二氧化硅納米流體的穩定性隨濃度的增加而增強。納米流體中表面活性劑與二氧化硅納米顆粒的最佳質量比為1∶1，濃度為0.1%。

圖2 納米顆粒濃度對二氧化碳納米流體穩定性的影響

2.3 界面潤濕性的改變

（1）動態接觸角。采用光學投影法測定水基納米流體改變表面潤濕性能。實驗中采用經過處理的油濕石英片作為固體表面，將石英片置于3%NaCl溶液、TX-100溶液和水基納米流體中老化，測定石英片的潤濕性隨時間的改變程度，結果見圖3。由圖3可知，水基納米流體和TX-100溶液均對石英片的潤濕性產生影響，二者均會使油濕石英片的潤濕性能發生轉變，使得石英片由親油向親水或中性轉變。納米流體實現反轉的效果最好。

圖3 油濕表面油滴分別在3%NaCl溶液、TX-100溶液和納米流體中接觸角隨時間變化

（2）靜態接觸角。采用光學投影法測定濃度和配比對水基納米流體改變表面潤濕性能的影響。實驗中采用經過處理的油濕石英片，將石英片先置于水中測定石英片的接觸角，然后將石英片置于納米流體中老化6 h，測量老化后石英片的接觸角，結果如圖4所示。由圖4可知，水基納米流體的濃度和配比均對石英片的潤濕性產生影響，實驗中的納米流體均使油濕石英片的潤濕性能發生反轉，使得親油石英片向親水石英片轉變。濃度越大，潤濕反轉的效果越好；配比對于潤濕反轉的影響不大。

圖4 油濕表面油滴分別在不同狀態下的納米流體中的接觸角

3 結語

納米流體改變界面潤濕性的綜合實驗將本科實驗教學與膠體與界面化學的前沿研究結合起來，使大學生在學習基礎理論的同時，通過文獻調研，整合后獨立設計實驗方案、分析實驗結果，得到有價值的結論，理解掌握界面潤濕性及測量方法，激發學生的探索性科研的熱情，增強學生的成就感和自信心。

（1）進一步加深學生對于納米材料的認識，通過該綜合實驗設計，學生可以學習一些納米材料相關的知識。對納米二氧化硅進行物理改性、納米流體穩定性、接觸角測量的相關文獻進行調研，在查閱文獻的同時學習相關知識，對課堂上學習的界面化學有關知識進行強化，通過實驗現象對界面潤濕性有更深的認識和理解。

（2）接觸角測量儀和激光粒度儀是很常見的儀器，但大學生接觸此類儀器的機會非常少。設計將兩種儀器引入綜合性實驗設計中，實驗中所涉及接觸角測量儀和激光粒度儀等儀器操作并不復雜，經過簡單培訓便可獨立操作，有利于學生融合膠體與界面化學課程中所學的相關知識，對大型實驗的使用和理解有整體的掌握，充分發揮這些常用儀器在本科教學中的重要作用。

（3）學生通過納米流體的制備，掌握基本物理改性的方法；然后對制備的納米流體進行微觀表征；對納米流體穩定性評價，分析濃度和配比對納米流體穩定性的影響；最后分析接觸角的測量結果進行整合并撰寫實驗報告，提升學生的總結分析能力以及學術論文撰寫能力。