纳米流体改变界面润湿性的综合实验设计

赵明伟，宋旭光，李 阳，张博涵

（中国石油大学（华东）石油工程学院，非常规油气开发教育部重点实验室，山东青岛 266580）

0 引言

润湿是固体表面流体置换的过程，气-固（v-s）和固-固（s-s）界面的接触角通过宏观监测手段观察不到，而液体在固体表面的润湿现象可以通过一些显像设备即可进行测量。液体在固体表面上的接触角是衡量液体对固体表面润湿性能的重要参数［1-2］。液体在固体表面的润湿涉及热力学、吸附动力学及胶体与界面化学的交叉，因而研究液体在固体表面的润湿性能，对研究医药［3］、半导体、化妆品和石油开采［4］等都具有重要意义。

液体与固体表面接触时有两种润湿的情况［5-6］。第1种情况，当液体完全润湿固体表面，反映在两相界面是液体在固体表面的接触角为0°。第2种情况，当液体部分润湿或完全不润湿固体表面，即液体在固体表面形成有一定角度的液滴。若固体对某种液体的接触角越大，表明该液体越不容易对固体表面润湿［7-9］。固体材料对水的接触角越小，表明材料的亲水性越强，即亲油性越弱［10］。接触角测量方法可以按不同的标准进行分类［11］。按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法［12-13］。测量时按照三相接触线的移动速率可分为静态接触角和动态接触角［14］。按照测试原理又可分为静止或固定液滴法、Wilhemly板法、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法［15］。

综合实验设计中所用液体必须具备改变界面效果明显的特点，因而选用应用较为广泛的纳米流体。21世纪以来，纳米技术逐渐进入人们的视野，已成为人们研究的热点［16-18］。本实验主要研究纳米二氧化硅与TX-100的匹配关系，制备稳定分散的纳米流体，并研究其分散稳定性，进一步探讨纳米流体对固液界面润湿性改变的作用。本实验融合了界面化学、材料、吸附等理论知识，结合多种仪器技术，非常适合作为综合性实验或开放性实验面向高年级本科生开设。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

试剂：纳米二氧化硅，TX-100，氢氧化钠，NaCl等均为分析纯。

仪器：电子天平，磁力搅拌器，超声波清洗机，TECNAIG20型透射电子显微镜（TEM），S-4800型扫描电子显微镜（SEM），激光粒度仪，接触角测量仪。

1.2 纳米流体的制备

取一定质量疏水纳米二氧化硅颗粒与一定比例的TX-100复配，再加入一定量去离子水配制一定浓度的水基活性纳米流体，加入1 mol／L的NaOH溶液调节pH＝10，机械搅拌后超声分散120 min，继续搅拌直至澄清透明。

1.3 纳米流体的表征

制备浓度为0.1%的纳米流体，然后通过TEM和SEM对纳米流体的微观形貌进行表征。

1.4 分散稳定性评价

纳米流体的浓度以及纳米颗粒与TX-100的配比是影响纳米流体分散稳定性的重要因素，实验中设置不同浓度和不同配比关系的纳米流体。对纳米流体的粒径和zeta电位分别测量，以评价纳米流体的分散稳定性。

1.5 界面润湿性测量

采用光学投影法测定纳米流体改变表面润湿性能，实验中采用经过处理的油湿的石英片模拟疏水表面。首先进行动态接触角测量，将石英片置于NaCl溶液、TX-100溶液和纳米流体中老化，测定石英片的润湿性随时间变化的改变程度。紧接着进行静态接触角的测量，测定不同浓度和不同配比下纳米流体中浸泡的石英片的接触角。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

纳米流体的TEM和SEM图如图1所示，纳米二氧化硅颗粒为近似球形，其粒径主要分布在30 nm左右，纳米颗粒的形貌均一，分散性好，无明显团聚。

图1 纳米流体的形貌

2.2 稳定性评价

为了评价纳米颗粒浓度对二氧化硅纳米流体稳定性的影响，测量一系列不同浓度和不同配比的二氧化硅纳米流体的粒径与zeta电位，实验结果如图2所示。结果表明，粒径的变化趋势与zeta电位值的变化趋势有明显的对应关系。当zeta电位值较大时，引起静电斥力增加，则水力半径减小。随着二氧化硅纳米颗粒浓度的增加，二氧化硅纳米流体的粒径减小，zeta电位的绝对值增大，表明二氧化硅纳米流体的稳定性随浓度的增加而增强。纳米流体中表面活性剂与二氧化硅纳米颗粒的最佳质量比为1∶1，浓度为0.1%。

图2 纳米颗粒浓度对二氧化碳纳米流体稳定性的影响

2.3 界面润湿性的改变

（1）动态接触角。采用光学投影法测定水基纳米流体改变表面润湿性能。实验中采用经过处理的油湿石英片作为固体表面，将石英片置于3%NaCl溶液、TX-100溶液和水基纳米流体中老化，测定石英片的润湿性随时间的改变程度，结果见图3。由图3可知，水基纳米流体和TX-100溶液均对石英片的润湿性产生影响，二者均会使油湿石英片的润湿性能发生转变，使得石英片由亲油向亲水或中性转变。纳米流体实现反转的效果最好。

图3 油湿表面油滴分别在3%NaCl溶液、TX-100溶液和纳米流体中接触角随时间变化

（2）静态接触角。采用光学投影法测定浓度和配比对水基纳米流体改变表面润湿性能的影响。实验中采用经过处理的油湿石英片，将石英片先置于水中测定石英片的接触角，然后将石英片置于纳米流体中老化6 h，测量老化后石英片的接触角，结果如图4所示。由图4可知，水基纳米流体的浓度和配比均对石英片的润湿性产生影响，实验中的纳米流体均使油湿石英片的润湿性能发生反转，使得亲油石英片向亲水石英片转变。浓度越大，润湿反转的效果越好；配比对于润湿反转的影响不大。

图4 油湿表面油滴分别在不同状态下的纳米流体中的接触角

3 结语

纳米流体改变界面润湿性的综合实验将本科实验教学与胶体与界面化学的前沿研究结合起来，使大学生在学习基础理论的同时，通过文献调研，整合后独立设计实验方案、分析实验结果，得到有价值的结论，理解掌握界面润湿性及测量方法，激发学生的探索性科研的热情，增强学生的成就感和自信心。

（1）进一步加深学生对于纳米材料的认识，通过该综合实验设计，学生可以学习一些纳米材料相关的知识。对纳米二氧化硅进行物理改性、纳米流体稳定性、接触角测量的相关文献进行调研，在查阅文献的同时学习相关知识，对课堂上学习的界面化学有关知识进行强化，通过实验现象对界面润湿性有更深的认识和理解。

（2）接触角测量仪和激光粒度仪是很常见的仪器，但大学生接触此类仪器的机会非常少。设计将两种仪器引入综合性实验设计中，实验中所涉及接触角测量仪和激光粒度仪等仪器操作并不复杂，经过简单培训便可独立操作，有利于学生融合胶体与界面化学课程中所学的相关知识，对大型实验的使用和理解有整体的掌握，充分发挥这些常用仪器在本科教学中的重要作用。

（3）学生通过纳米流体的制备，掌握基本物理改性的方法；然后对制备的纳米流体进行微观表征；对纳米流体稳定性评价，分析浓度和配比对纳米流体稳定性的影响；最后分析接触角的测量结果进行整合并撰写实验报告，提升学生的总结分析能力以及学术论文撰写能力。