1、膠體摘要：膠體廣泛存在于我們周圍的世界。許多食物中含有膠體，甚至于我們身體的組成部分也包含很多膠體粒子。研究膠體的性質(zhì)對我們的日常生活有很重要的指導意義。本文對膠體的類型，作用力和特征進行了探討。膠體的種類主要包括溶膠，凝膠，粘土，泡沫和乳狀液。本文對這些不同類型的膠體也進行了闡述。關(guān)鍵詞：膠體；類型；作用力；特征; 穩(wěn)定性ColloidsLI ChenAbstract: The world around us is full of colloids. Many foods contain colloids, even the very stuff we are made of also co

2、ntains colloidal particles. It has a very important guiding significance in our daily lives to study the colloidal properties. The types, forces and characterization of colloids are investigated in this paper. The kinds of colloids mainly have sols, gels, clays, foams and emulsions. These colloids a

3、re also introduced in detail.Keywords: colloids, type, force, characterization, stability1 引言什么是膠體? 這個名詞首先是由英國科學家Grabam于1861年提出的。實質(zhì)上，膠體只是物質(zhì)以一定分散程度存在的一種狀態(tài)，稱為膠態(tài)，猶如氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，而不是一種特殊類型的物質(zhì)。膠體普遍存在于自然界中，它時刻與我們接觸，與人類的生活有著極其密切的聯(lián)系。江河湖海中，工業(yè)廢水是最廣泛存在的膠體，為了保護水源，凈化水質(zhì)，提取貴重元素，變廢為寶，就要研究膠體的形成和破壞。蔚藍色天空中的大氣層是由水滴和塵埃等物質(zhì)分散在

4、空氣中的膠體構(gòu)成的，對它的研究在環(huán)境保護、耕耘、人工降雨等方面具有重要的意義。人體各部分的組織都是含水的膠體，所以要了解生理機能、病理原因和藥物療效等都要根據(jù)膠體的研究成果。人類賴以生存的不可缺少的衣(絲、棉、毛皮、合成纖維)、食(淀粉、脂肪、蛋白質(zhì))、住(木材、磚瓦、陶瓷、水泥)、行(合金、橡膠等制成的交通工具)無一都不與膠體有關(guān)。因此，弄清楚膠體的種類和形成機理是極其重要的。2 膠體類型 煙，云，霧是氣溶膠，煙水晶，有色玻璃、水晶是固溶膠，蛋白溶液，淀粉溶液是液溶膠。除了這些簡單膠體外，膠體還包括締合膠體（雙親化合物），大分子膠體，聚合物溶液，網(wǎng)狀膠體和多重膠體。3 膠體粒子之間的力膠體是

5、一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子間的相互作用主要是短程作用力。膠體粒子間的力主要包括范德華力和雙電層力。3.1 范德華力 范德華力產(chǎn)生于分子中的電偶極子之間的吸引力。膠體粒子之間的范德華力吸引可認為是產(chǎn)生于分子中的每個粒子之間的分散吸引力。為計算實際吸引力，總電勢由分子對間的電勢的總和。在這個近似值中，分子對間的吸引力是通過由未被其他存在的分子所吸引來估計，如可以忽視多體吸引力。最后所產(chǎn)生的電子對總和可以通過在超過粒子體積的粒子1中的一個微小體積dV1和在粒子2中的一個微小體積dV2中合并分子的對勢（公式1）。產(chǎn)生的電勢由膠體粒子的形狀和在粒子的分離中所決定。如在真

6、空中兩個無限平坦的表面上分離距離b，單位電勢為 V = （1） AH是哈默克常數(shù)，這決定了膠體粒子間的范德華吸引力的影響強度。值得注意的是膠體粒子間的吸引電勢降低的并不比單個分子間的分散吸引力要多。從而，膠體粒子間的長程力對其穩(wěn)定性很重要。 對半徑為R的兩個球形半徑來說，顆粒間距離很?。╞R），Derjaguin 近似值可與兩個曲面之間的兩個平坦表面的電勢相關(guān)。可將等式（1）修飾為 V = （2）3.2 雙電層力此時需考慮溶液中帶電荷的膠體粒子周圍的電勢。帶點粒子在表面會吸引抗衡粒子，就是說離子氛就周圍形成。這趨向于在膠體粒子中分開靠近帶有表面電荷的電層的一個電層，這樣就產(chǎn)生了一個雙電層。在擴

7、散雙電層模型中，離子氛被認為是兩部分組成?？拷z體粒子，抗衡粒子占優(yōu)勢是由于強的靜電力。遠離粒子的離子被認為是組織的更加分散，按照電力量的平衡且產(chǎn)生隨機熱運動。在這個外彌散性區(qū)域，隨著離表面越遠抗衡離子的濃度越低。在斯特恩模型中，在平衡離子氛的內(nèi)部區(qū)域和外部彌散性區(qū)域之間的界面是一個尖銳的平面（斯特恩平面），內(nèi)部區(qū)域組成的一個平衡離子的單個電子層被稱為斯特恩層。4 膠體的特征4.1流動性膠體的流動行為對它們的很多應用很重要。就日常生活中的例子而言，人造黃油在杯中是硬的但當在刀的壓力下隨著黃油在面包上滑動是流動的。膠體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)復雜性導致流變現(xiàn)象的多樣性。4.2 粒子形狀和大小考慮到膠體溶

8、膠，不連續(xù)的膠體粒子在液體中分散。溶膠粒子可以有三維（球樣），二維（棒狀）或一維（板樣）形式。這些結(jié)構(gòu)的例子包括可從聚合物乳狀液的膠乳粒子中獲得的高單分散性球狀粒子及在粘土的結(jié)構(gòu)基礎上的水溶液中的膠結(jié)材料、石棉、板樣顆粒中的針狀形狀膠體粒子的分散液。膠體粒子的大小可用很多方法測量。由于分辨率的限制，光學顯微鏡對膠體粒子的直接觀察是不適用的，但掃描或透射電子顯微鏡是很適當?shù)?。沉降法可以被膠體粒子在重力的作用下被用來沉淀。顆粒計數(shù)方法如庫爾特計數(shù)器提供了粒子體積的大小。散射技術(shù)被廣泛用來測定膠體粒子的形狀和大小。在小角度的情況下散射強度的角的依賴性提供粒子大小和形狀等信息。4.3 電動力學的影響如

9、果膠體粒子帶電，在分散流動行為下電場有很深刻的影響。這給出了許多的電現(xiàn)象。在電泳分離法測量中，在靜止液體中有電場引起的帶點膠體粒子的速率的測定，從流動性可得到： u = （3）此處，v是粒子速率，E是電場強度。 沉降素的的測量包括相反的效果，即當帶點粒子在靜止液體中移動時電場強度的測量。Zeta電位Zeta電勢在靜止溶液和移動的帶電膠體粒子間間的表面是可能的。這個表面定義為剪切面。它的定義有些不是很精確是因為移動的帶電粒子將有連接到一定數(shù)量的抗平衡離子，合并的流動對象被定義為電動裝置。膠體懸浮液的穩(wěn)定性經(jīng)常詮釋為Zeta電位，因為這比表面電勢更方便，它所描述的是雙電層間的排斥相互作用。休克爾-

10、斯莫路柯維斯基 方程 這是對電泳過程中的膠體分散的流動方程限制的解決方案 。在極限情況下，帶電膠體粒子足夠小被認為是在未受到攪動的狀態(tài)下電場（kR1）中的點電荷，休克爾方程能被應用到。在另一方面，如果膠體粒子的半徑是很大的，當平面帶電表面暴露在流動的液體中時是相接近的。我們同樣也能估計到雙電層厚度k-1很小時，以致于kR1。在這種極限情況中，斯莫路柯維斯基方程提供了穩(wěn)定性的解釋。亨利方程對任意雙電層厚度的球狀粒子，亨利方程是休克爾方程的歸納。 u = f（kR） （4）在稀溶液中的非常小的粒子，1/k很大以致kR0且在極限情況下f（kR）=1，適用休克爾方程。在大粒子的極限情況下f（kR）=1

11、.5，適用斯莫路柯維斯基方程。亨利方程應用于兩者之間的情況。5 電價穩(wěn)定性5.1 帶電膠體 在很多膠體系統(tǒng)中，包括粘土和溶膠（帶電乳膠或二氧化硅微粒），靜電的相互作用是很重要的。電解質(zhì)的濃度和性質(zhì)同樣對帶電膠體分散的穩(wěn)定性有顯著的影響。帶電雙電層產(chǎn)生于一個帶電膠體粒子周圍的抗平衡離子氛。在帶電雙電層中電勢的衰減由德拜屏蔽長度控制，與電解質(zhì)濃度有關(guān)。靜電作用并不僅僅對膠體分散的穩(wěn)定性有作用，對通過離子型表面活性劑頭基間的乳化也有影響。5.2 DLVO理論此理論考慮了雙電層（同種帶電粒子的排斥作用）和長程范德華力間的力?？倓菽鼙硎緸椋?V= VR + VA (5)VR是由于在膠體粒子上雙電層的重疊

12、引起的排斥勢能，VA是吸引的范德華能。5.3 臨界凝聚濃度當電解質(zhì)加入到膠體懸浮液中，粒子周圍的雙電層厚度壓縮導致雙電層力的范圍減少。絮凝可發(fā)生在電解質(zhì)濃度中以致排斥的雙電層吸引力是顯著減少到是吸引力占主導地位。這發(fā)生在臨界絮凝濃度（c.c.c)。對于一個在25的水溶液分散系，即： c.c.c. = mol / dm3 (6)6 空間位阻穩(wěn)定性膠體分散系的空間位阻穩(wěn)定性來自具有長鏈分子的膠體粒子。當膠體粒子接近另一個粒子時（如布朗運動），聚合物鏈的極限穿透性產(chǎn)生一個能穩(wěn)定分散制止絮凝的一個有效的斥力?？臻g位阻穩(wěn)定性與電荷穩(wěn)定性相比有以下優(yōu)勢：1. 粒子間的排斥力并不依賴于電解質(zhì)濃度，相比于電荷

13、穩(wěn)定的膠體，它的雙電層厚度對粒子強度非常敏感，盡管在水溶液中通常用到電荷穩(wěn)定性，但空間位阻穩(wěn)定性在非水和水介質(zhì)中都有影響。2. 空間位阻穩(wěn)定性在一個寬范圍的膠體濃度內(nèi)都能起作用，而電荷穩(wěn)定性大多在低濃度中相比其作用。7 聚合物對膠體穩(wěn)定性的影響正如聚合物鏈能夠吸附在單個膠體粒子上，在低濃度條件下，一個聚合物鏈的不同部分能夠吸附在兩個不同的膠體粒子上，這導致了所謂的橋接絮凝。聚合物橋迫使膠體粒子在一起，從而導致了絮凝。對橋接絮凝的發(fā)生，兩個重要的條件必須滿足：1. 聚合物絮凝必須有足夠的摩爾分子量以致鏈至少足夠長來跨越顆粒間分離的范圍。聚合物橋接需要的摩爾分子量將會依賴電解質(zhì)濃度。因為濃度越高，

14、雙電層越薄，因此剪短聚合物來誘導架橋絮凝。2.吸附的聚合物鏈的表面覆蓋不能完全，是為了考慮到當布朗碰撞發(fā)生時，可以吸附一個或更多鏈的片段，從而連接到其它分子。8 動力學性質(zhì) 膠體粒子進行布朗運動。這種運動與動力能的穩(wěn)定性有關(guān)。9 溶膠 溶膠是固體顆粒分散在液體中且具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之間。10 凝膠凝膠是具有固體特征的膠體體系。溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的液體（在干凝膠中也可以是氣體），這樣一種特殊的分散體系稱作凝膠。凝膠中分散相的含量很低，一般在1%-3%之間

15、。沒有流動性，內(nèi)部常含有大量液體。例如血凝膠、瓊脂的含水量都可達99%以上。在流變方面，凝膠是賓漢流體即剪切應力與剪切速率呈線性關(guān)系，但只有當剪應力大于屈服剪應力時才開始流動，流體在靜止時存在凝膠結(jié)構(gòu)。凝膠分為彈性凝膠和脆性凝膠。彈性凝膠失去分散介質(zhì)后，體積顯著縮小，而當重新吸收分散介質(zhì)時，體積又重新膨脹，例如明膠等。脆性凝膠失去或重新吸收分散介質(zhì)時，形狀和體積都不改變，例如硅膠等。11 粘土 粘土是一種重要的礦物原料。它們由于受到范德華力或氫鍵而堆疊成層狀結(jié)構(gòu)。粘土遇水一般可以膨脹，但也有例外，例如云母。粘土礦物包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、水鋁英石等。其中蒙脫石是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成

16、的礦物，其晶格單元由兩層硅氧四面體層夾一層氧化鋁八面體層構(gòu)成，層間聯(lián)接依靠范德華力，較弱，水分子容易進入晶胞之間，增大晶胞距離，脫水后，又產(chǎn)生相應的收縮；在晶格之間，由于同晶置換作用，使蒙脫石具有很強的吸附能力，大量的Na+、Ca2+填充進來，產(chǎn)生雙電層效應，導致粒間的膨脹。相似的，伊利石也具有2：1的三層晶體結(jié)構(gòu)，但其吸附的陽離子主要為Na+、K+，晶格間連接力較強，水分子不容易進入，所以伊利石親水性、脹縮性不如蒙脫石。伊利石屬于較不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，性質(zhì)介于蒙脫石和高嶺石之間，并隨著層間K+含量的逐漸減少，而接近于蒙脫石。高嶺石的結(jié)構(gòu)單元是由一層鋁氫氧晶片和一層硅氧晶片組成的晶胞。晶胞之間的

17、聯(lián)結(jié)是氧原子與氫氧基之間的氫鍵，聯(lián)結(jié)力較強，晶胞之間的距離不易改變，水分子不能進入，親水性及膨脹性較前兩種礦物成分。 12 泡沫氣體以較大體積分散在液體中形成的體系被稱為泡沫。彼此被液膜隔開的氣泡的聚集物，是氣體在液體中的分散體系，內(nèi)相（氣體）的體積分數(shù)一般大于90%。泡沫在生產(chǎn)實際中有很多應用，如泡沫浮選、泡沫分離、泡沫滅火等。它包括固體泡沫（橡膠泡沫或聚苯乙烯泡沫）和常見的液體泡沫。如果氣體的體積分數(shù)不是太高，泡沫中的氣泡是球形的；但是在較高的氣體體積分數(shù)下氣泡就變成多面體形狀。通常情況下，氣泡直徑在0.10.3mm之間。泡沫的界面面積較大導致表面自由能較高，因此在熱力學上是不穩(wěn)定的。由肥

18、皂液或表面活性劑穩(wěn)定的泡沫在一定程度上可以延緩泡沫排液，以防止其破裂。而由醇或短鏈脂肪酸這類物質(zhì)組成的泡沫是不穩(wěn)定的，會迅速崩潰。但是前者也不是無限期穩(wěn)定的，主要有兩個原因：首先是由于重力作用，導致液膜變薄引起破裂；其次是因為外界條件（機械，熱，蒸發(fā)，雜質(zhì)等）對泡沫造成的擾動，從而導致泡沫消失。泡沫的形成非常簡單，只要向起泡劑（表面活性劑或高分子化合物）溶液中通入氣體，在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成后，氣泡壁間夾帶上來的液體在重力作用下向下流失，液膜逐漸變薄，氣泡互相接近而變形。上圖是三個氣泡互相接近時的變形情況，三個氣泡的交界處稱為普拉托交界。根據(jù)拉普拉斯方程，A處的壓力大于B處，膜中液體

19、向普拉托交界處流動，液膜進一步變薄。在此過程中，如果液膜強度不夠，則液膜破裂，泡沫逐漸消失。如果起泡劑能在氣-液界面吸附形成較緊密的單分子層，則液膜變薄到一定厚度后，兩個單分子層在液相相遇而發(fā)生空間阻礙作用或兩個擴散雙電層重疊而發(fā)生電性排斥作用，此兩種作用均可阻止液膜進一步變薄。液膜在某一厚度達到平衡，泡沫可處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。因此，吸附單分子層在接近時造成的空間阻礙作用和雙電層的排斥作用愈大，泡沫愈穩(wěn)定。 在工業(yè)生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生許多有害泡沫，需要添加消泡劑。消泡即在較短時間內(nèi)破壞一個泡沫體系。常用的消泡方法是加入可溶或不溶的極性有機物，這些物質(zhì)可在表面上吸附或展開，置換原起泡劑，本身又形不成穩(wěn)定的液膜， 因而有消泡作用。 常用消泡劑有短鏈或支鏈的醇類（如異戊醇）、磷酸酯類（如磷酸三丁酯）、硅油、含氟極性有機物、環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷的共聚物等。13 乳狀液乳狀液是指一種液體以液珠形式分散在與它不混溶或部分混溶的另一種液體中而形成的分散體系。乳狀液按液滴大小來說可以分為乳狀液（0.110m）和微乳狀液（1100nm）。前者熱力學不穩(wěn)定，而微乳狀液熱力學穩(wěn)定。乳狀液大致分為水包油型（o/w）和油包水型（w/o）兩種。例如，牛奶中是脂肪顆粒分散在水相中形成的，屬于o/w型。蛋黃醬也是植物油中分散在醋或檸檬汁中，同樣屬于o/w型。用固體穩(wěn)定的乳狀液，稱作pick