Sistem Mikelar Cacing Ditingkatkan Nanopartikel: Desain, Reologi, dan Wawasan Mekanisme
Abstrak
Kami memperkenalkan sistem mikelar cacing ditingkatkan nanopartikel (NEWMS) yang dibangun dari bromida setiltrimetilamoni (CTAB) dan salisilat natrium (NaSal) dan diperkuat dengan nanopartikel silika. Sebelum dicampur, kami memeriksi nanofluida silika dengan pencaharan cahaya dinamis (DLS) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) untuk mengonfirmasi keseragaman ukuran dan stabilitas dispersi. Pengujian reologi mengungkapkan bahwa viskositas geser nol NEWMS meningkat seiring peningkatan pemuatan silika, sedangkan pengukuran osilasi mengonfirmasi perilaku viskoelastik yang tipikal. Dibandingkan mikelar cacing yang tidak dimodifikasi, panjang entanglement dan ukuran jaring tetap pada dasarnya tidak berubah, tetapi panjang kontur tumbuh seiring peningkatan konsentrasi silika, yang menunjukkan peran penguat nanopartikel. Kami mengusulkan model mekanisme yang mengatribusikan peningkatan viskositas pada jantung mikelar-nanopartikel yang bertindak sebagai silang fisik, sehingga memperluas jaringan mikellar. Studi ini memperdalam pemahaman kami tentang NEWMS dan memperluas potensi aplikasinya dalam bidang yang bervariasi dari pemulihan minyak yang ditingkatkan hingga formulasi fluida lanjutan.
Latar Belakang
Self-assembly surfaktan menjadi agregat beragam—mikel bola, mikel batang, mikel cacing, vesikel, lamella, dan kristal cair—telah menjadi sumbu utama ilmu lunak modern dan teknologi industri. Di atas konsentrasi kritis mikel (cmc), surfaktan membentuk mikel bola; peningkatan konsentrasi lebih lanjut mendorong pembentukan struktur yang panjang seperti mikel cacing, yang menunjukkan viskoelastisitas karena entanglement sementara dari agregat benangnya. Mikel cacing banyak digunakan sebagai agen pengurang drag, fluida pecah untuk pemulihan minyak, dan bahan utama dalam formulasi kosmetika. Berbeda dengan solusi polimer konvensional, mikel cacing dapat secara reversibel pecah dan terbentuk kembali di bawah suhu, geser, atau stimulus kimia, menjadikan stabilitas mereka tantangan desain yang kritis.
Upaya sebelumnya untuk memperkuat mikel cacing telah menjelajahi aditif polimer, surfaktan gemini, dan modulasi kekuatan ionik. Misalnya, penambahan poliakrilamida yang dimodifikasi hidrofobik pada sistem surfaktan kationik meningkatkan viskositas, sementara surfaktan gemini menghasilkan mikel dengan properti viskoelastik yang superior. Baru-baru ini, nanopartikel telah muncul sebagai modulator kuat reologi lunak. Nanopartikel silika, misalnya, telah ditunjukkan meningkatkan viskositas geser nol dan waktu relaksasi mikelar cacing CTAB/NaNO3, yang diatribusikan pada jantung mikelar-nanopartikel yang bertindak sebagai silang fisik. Namun, studi sistematis tentang efek konsentrasi silika pada mikelar cacing CTAB/NaSal masih langka.
Dalam karya ini, kami sintesis NEWMS baru dengan menggabungkan 50 mM CTAB dan 60 mM NaSal dengan nanopartikel silika berdiameter 7–40 nm. Kami memeriksa bagaimana variasi fraksi massa silika (0,1, 0,3, 0,5 wt %) mempengaruhi morfologi mikellar, reologi, dan struktur jaringan, yang memberikan wawasan kuantitatif tentang mekanisme yang mendasarinya.
Metode
Bahan
CTAB dan NaSal diperoleh dari Shanghai Experimental Reagent Co., Ltd. Nanopartikel silika (7–40 nm) disuplai oleh Aladdin Industrial Co., Ltd. Semua larutan disiapkan dengan air terdistilasi tiga kali.
Persiapan Sampel
Nanofluida silika disiapkan dengan mendispergikan silika pada 0,1, 0,3, dan 0,5 wt % dalam air, diaduk pada 340 rpm selama 30 menit, diikuti oleh ultrasonikasi selama 3 jam untuk menghasilkan suspensi transparan. Untuk NEWMS, nanofluida digunakan sebagai pelarut dasar; larutan CTAB (100 mM) dan NaSal (120 mM) secara individu di-ultrasonikasi pada 35 °C selama 10 menit sebelum dicampur volume yang sama. Campuran diaduk selama 30 menit untuk membentuk jaringan mikellar. Sampel kontrol tanpa silika disiapkan secara identik.
Karakterisasi
Mikroskop Elektron Transmisi
Nanopartikel silika difoto pada mikroskop JEOL JEM‑2100.
Pencaharan Cahaya Dinamis
Pengukuran DLS dilakukan pada Malvern Zetasizer Nano ZS (λ = 633 nm, θ = 90°) pada 25 ± 0,1 °C, dengan setiap sampel diukur tiga kali.
Pengukuran Reologi
Reologi geser stetis dan osilasi dilakukan pada reometri Haake Mars 60 (kon-perancah, 35 mm, 1°) pada 25 ± 0,05 °C. Laju geser bervariasi dari 0,01 hingga 100 s⁻¹. Untuk uji osilasi, frekuensi ditetapkan pada 1 Hz, dan pengayunan stres menetapkan regime viskoelastik linier sebelum melakukan sweep frekuensi. Semua solusi mikelar diimbuhkan pada 25 °C selama 24 jam sebelum pengujian untuk memastikan pembentukan mikellar yang sempurna.
Hasil dan Pembahasan
Pembentukan Nanofluida Silika
Gambar 1 menampilkan citra mikro TEM partikel silika. Partikel menunjukkan distribusi ukuran yang sempit, sementara agregasi ringan terjadi karena gaya antarpartikel. Data DLS (Tabel 1) menunjukkan peningkatan bertahap dalam diameter hidrodinamik dengan pemuatan silika yang lebih tinggi, yang mencerminkan agregasi yang ditingkatkan. Pengukuran potensial zeta menunjukkan bahwa nanofluida 0,3 wt % memiliki muatan permukaan paling negatif, yang menunjukkan stabilitas koloidal optimal.
Citra mikro TEM nanopartikel silika
Properti Reologi NEWMS
Gambar 2 menunjukkan viskositas geser stetis untuk tiga konsentrasi silika. Pada laju geser rendah, semua solusi menunjukkan plat Newtonian, yang mendefinisikan viskositas geser nol (η₀). Peningkatan konten silika secara sistematis meningkatkan η₀, yang menunjukkan jaringan yang lebih kuat dan lebih terental. Di bawah geser tinggi, semua sampel menunjukkan penurunan viskositas yang jelas, yang khas untuk mikelar cacing, dengan laju penurunan yang mempercepat seiring peningkatan pemuatan silika, kemungkinan karena perataan dan possible shear-banding.
Viskositas geser stetis solusi mikelar cacing dengan fraksi massa silika yang bervariasi pada 25 °C
Data osilasi (Gambar 3a) mengungkapkan transisi yang diharapkan dari dominasi viskus (G″ > G′) pada frekuensi rendah ke dominasi elastis (G′ > G″) pada frekuensi tinggi. Modulus plat (G₀) dan modulus loss minimum (G″min) hanya sedikit dipengaruhi oleh silika, sedangkan nilai G′ dan G″ bergeser ke atas dengan pemuatan silika yang lebih tinggi, yang menunjukkan peningkatan viskoelastisitas.
Variasinya G′ (simbol terisi) dan G″ (simbol terbuka) dengan frekuensi geser dan plot Cole–Cole untuk NEWMS pada 25 °C
Menerapkan model Maxwell (Eqs. 1–3) menghasilkan waktu relaksasi (τ_R) yang meningkat dengan konten silika, sementara waktu pecah (τ_break) tetap tidak berubah. Ini menunjukkan bahwa silika terutama memperpanjang waktu reptasi (τ_rep) daripada mempengaruhi dinamika pecahan mikellar. Ukuran jaring yang dihitung (ξ_M) dan panjang entanglement (l_e) tetap hampir konstan, tetapi panjang kontur (L) menunjukkan tren naik yang jelas (Tabel 2), yang membenarkan kesan visual tentang benang mikellar yang lebih panjang dalam kehadiran silika.
Ketergantungan viskositas geser nol η₀ dan waktu relaksasi τ_R pada konsentrasi nanopartikel silika pada 25 °C
Wawasan Mekanisme
Peningkatan viskositas dapat diatribusikan pada jantung mikelar-nanopartikel yang berfungsi sebagai silang fisik. Permukaan silika hidrofilik mengikis tutup akhir mikellar, secara efektif mengurangi biaya energi untuk perluasan mikellar dan mempromosikan pertumbuhan linier. Setiap jantung menghubungkan dua benang mikellar, meningkatkan konektivitas jaringan dan kepadatan entanglement. Akibatnya, sistem berperilaku sebagai materi “jaring ganda”, di mana silang yang diedarkan silika memperkuat matriks mikellar yang terental. Mekanisme ini sepakat dengan pengamatan sebelumnya tentang silang yang diinduksi nanopartikel dalam sistem polimer dan surfaktan.
Ilustrasi mekanisme yang diusulkan dari jaringan silang kompleks yang dibangun oleh mikelar cacing dan nanopartikel silika
Kesimpulan
Kami berhasil membuat sistem mikelar cacing ditingkatkan nanopartikel dengan menggabungkan CTAB/NaSal dengan nanopartikel silika. Pengukuran reologi menunjukkan bahwa penambahan silika secara signifikan meningkatkan viskositas geser nol, waktu relaksasi, dan panjang kontur, sementara ukuran jaring dan panjang entanglement sebagian besar tidak berubah. Pembentukan jantung mikelar-nanopartikel menyediakan jaringan silang yang kuat yang mendasari perbaikan viskoelastik yang diamati. Karya ini mendirikan kerangka mekanisme yang jelas untuk menyesuaikan reologi mikelar melalui aditif nanopartikel, dengan implikasi untuk pemulihan minyak yang ditingkatkan, fluida bor bebas polimer, dan cairan fungsional lanjutan.
