碳氟/碳氢混合表面活性剂自组装囊泡凝胶的可控构筑及其流变性质研究

Surfactants can self-assemble into various aggregations such as micelles, vesicles and liquid crystals which can further form gels under certain conditions. Especially, vesicle gels are one kind of self-assembles which have important applications in various fields. Until now, there has been very limited research on vesicle gels, therefore, it is hard to desirably construct spherical or polyhedral vesicle gels. Recently, we first found polyhedral vesicle gels formed from fluorocarbon surfactants. And such polyhedral vesicles transformed into spherical ones at certain conditions. Herein, this project aims at using this unique kind of fluorocarbon surfactants to mix with hydrocarbon surfactants in aqueous solution to construct spherical, polyhedral or tubular vesicle gels. The effects of different kinds of surfactant mixtures, mixed ratio and concentration, the interactions between surfactant molecules, temperature, pH, ions and polymers on the formation, micro-structure and rheological properties of gels will be studied in detail. And the mechanism of gel formation and the relationship between gel structure and properties will be established to guide the preparation of gels with certain self-assemble structures and macro-properties.

囊泡凝胶是表面活性剂分子在溶液中自组装形成的具有极大应用前景的超分子结构，目前关于囊泡凝胶的认识远不够系统和成熟，尚不能实现可控构筑具有一定微观结构（球形、多面体形或管状）和粘弹性的囊泡凝胶。寻找简单结构凝胶因子实现可控构筑不同囊泡结构凝胶并探究其形成机理，对于扩展该类凝胶在各个领域的应用具有十分重要的意义。笔者近期首次发现碳氟表面活性剂可以构筑多面体囊泡凝胶，亦可实现囊泡由多面体→球形的转变。基于此，本项目拟系统研究一类结构简单且应用广泛的碳氟表面活性剂，通过构筑碳氟/碳氢表面活性剂混合体系，探索囊泡凝胶的制备规律和形成机理，揭示表面活性剂分子间的相互作用力、表面活性剂分子的大小和几何构型、表面活性剂混合体系的类型及比例以及温度、pH、离子强度、外加聚合物等诸多因素对凝胶的形成、结构及其流变性质的调控规律，实现预期的囊泡凝胶结构的可控构筑，并建立凝胶的微观结构与宏观性质的构效关系。

囊泡凝胶是表面活性剂分子在溶液中自组装形成的具有极大应用前景的超分子结构，目前关于囊泡凝胶的认识远不够系统和成熟，尚不能实现可控构筑具有一定微观结构（球形或多面体形）和粘弹性的囊泡凝胶。因此本项目旨在选用一类结构简单的凝胶因子，全氟脂肪酸表面活性剂，与不同类型碳氢表面活性剂复配，以实现可控构筑不同囊泡结构凝胶并探究其形成机理，为扩展该类凝胶在各个领域的应用提供理论指导。基于此，本项目设计了四种不同类型的碳氟-碳氢表面活性剂混合体系。.1）阴-阳离子碳氟/碳氢表面活性剂混合体系：全氟脂肪酸/十四烷基三甲基氢氧化铵/水体系。首次成功构筑了多面体囊泡凝胶，这是该项目的一大创新成果。不同于传统的密堆积球形囊泡凝胶，该体系中多面体囊泡凝胶的形成是碳氟链的刚性及其与碳氢链的共结晶作用的共同调控。此外，碳氟表面活性剂的分子大小、混合比例以及外界条件如温度和离子强度等对多面体囊泡凝胶的形成、结构及其流变性质具有较大影响。2）阴离子-两性离子型碳氟/碳氢表面活性剂混合体系：全氟脂肪酸/十四烷基三甲基氢氧化铵/水体系。实现了多面体囊泡凝胶和球形囊泡凝胶的可控转换，并明确了碳氟链长、混合比例和表面活性剂总浓度对囊泡凝胶的流变性质的影响规律。该体系中囊泡凝胶的形成是碳氢碳氟链间的静电力、互疏作用和氢键共同作用的结果。3）阴-非离子碳氟/碳氢表面活性剂混合体系：全氟脂肪酸/四乙二醇单十二烷基醚/水体系。明确了球形囊泡凝胶的可控构筑条件。随着碳氟表面活性剂碳链长度的增大，凝胶中的囊泡尺寸增大，且晶态结构排列更加紧密，凝胶的粘弹性也增大。4）全氟壬酸/环糊精/水体系：首次研究了环糊精包合碳氟表面活性剂分子后的聚集行为，在全氟壬酸/阿尔法-环糊精/水体系成功构筑了密堆积球形囊泡凝胶，在全氟壬酸/贝塔、伽马-环糊精/水体系中得到了规则砖状聚集体凝胶，这也是该项目的另一创新成果。