油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 95-2221-E-011-149-

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學化學工程系

計畫主持人：林析右

計畫參與人員：碩士級-專任助理：邱明崑

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 12 月 17 日

(2)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告

□ 期中進度報告油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 95－2221－E－011－149－

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：林析右共同主持人：

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：台灣科技大學化學工程系

中華民國 96 年 12 月 13 日

(3)

1

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

Study Dynamic Interface Phenomenon about Oil Drop in Surfactant Solution 計畫編號：NSC 95-2221-E-011-149

執行期限：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日主持人：林析右國立台灣科技大學化學工程學系

一、中文摘要

本計畫擬探討油滴在界劑水溶液中之界面動態現象。其研究內容分為兩部分：(1) 苯甲醇水溶液之溶解度； (2) 觀察苯甲醇在純水及 3 wt%界劑水溶液中之可溶化行為。

本研究第一部分探討苯甲醇在水中之溶解度。藉由(i)測量苯甲醇水溶液之表面張力、(ii)肉眼觀察苯甲醇水溶液是否有第二相生成、(iii) UV/Vis 光譜儀來測量苯甲醇水溶液中本體溶液之醇類濃度、和(iv)密度儀來測量苯甲醇水溶液中本體溶液之密度，來探討苯甲醇在水中之溶解度。

苯甲醇水溶液經三天攪拌後，於25

^o

C之恆溫水槽中靜置至少兩個星期。藉由肉眼觀察，發現苯甲醇水溶液在0.48 wt%濃度時，水溶液在液-氣表面或容器底部有細小油滴形成，隨著濃度上升，油滴數目有增多和變大趨勢。

使用懸掛氣泡法測量此苯甲醇水溶液之表面張力，發現在溶液本體中第二相生成後，張力仍隨著醇類濃度之上升而下降；

苯甲醇水溶液在4 wt%濃度左右，張力逐漸趨於平緩。

UV光譜儀可測得溶液之苯官能基之吸收波峰。藉UV可測得苯甲醇水溶液中醇類之濃度。測量結果顯示當苯甲醇水溶液中第二相開始生成時(C > 0.48 wt%)，水相中苯甲醇含量仍隨著苯甲醇添加量之上升而增加；濃度大於4 wt%後，水相中苯甲醇濃度漸趨於平緩。

密度儀可量測苯甲醇水溶液中本體溶液之密度。發現溶液本體之密度於第二相生成後仍持續增加，但當濃度約為 4 wt%

時，其密度逐漸趨於平緩。

本研究第二部分將觀察苯甲醇在純水及 3 wt%界劑水溶液中之可溶化行為。將苯甲醇置入純水或界劑水溶液後，油-水兩

相界面處瞬時產生一流紋狀之非穩態相，

並沿著油滴底端流向容器底部。在 TX-100 水溶液中，則生成狀似由許多顆粒所堆疊成之非穩態相；而於 TX-405 水溶液中，則生成薄層狀的非穩態相，流至油滴底端，

並如瀑布狀流向容器底端；在純水中，其生成之非穩態相區甚薄，沿油滴外圍流至油滴底端後，以不固定方向流向容器底端。

界劑水溶液中形成微胞後，油滴或有機物可溶於微胞內，此即為可溶化現象，此現象能增加有機物在水中的溶解度。上述可觀測到之非穩定相和相關流動行為，猜測可能是由界劑水溶液之可溶化現象引發而生成之相關行為。

關鍵詞：苯甲醇、溶解度、可溶化、 TX-100、

TX-405

Abstract

This project studies the interfacial phenomena of oil-surfactant-water system.

The first part focuses on the investigation of the solubility of benzyl alcohol (BA) in pure water. The second part investigates the physical phenomena of a drop of benzyl alcohol contacting with 3wt % surfactant solutions.

To investigate the solubility of BA in water, we (i) measure the surface tension (st) of aqueous benzyl alcohol solutions, (ii) observe by eye the formation of the BA droplet in aqueous solutions, (iii) measure the BA content of the aqueous bulk phase by UV/Vis photography, and (iv) measure the density of aqueous benzyl alcohol solutions.

The st of BA solution decreases at

increasing BA content, and reaches a

constant st at BA ~ 4 wt%. However, tiny

BA droplets appear at BA ~ 0.48 wt%. The

BA content of aqueous BA solution

increases at increasing BA concentration and

(4)

reaches a nearly value at BA~4 wt%. The density data indicates a break at ~ 4 wt%

also. Here comes a big question: Why the BA droplets appear so early (at such low concentration)?

The second part of this work investigates the physical phenomena of a BA droplet contacting with 3 wt% surfactant solution at 25

^o

C. Inject ad form a pure BA drop inside 3 wt% surfactant (Triton X-100 or Triton X-405) solutions, the interface of BA-water shows a very special mixing or solubilization phenomena. A meso-nonequilibrium phase forms at the interface quickly. This meso-phase material moves downward to the bottom of the container, stays there for a few minutes, then moves upward to the air-water surface.

This phase and phenomenon had never been reported in the literature. It needs more time to characterize it, and we are still working on it now.

Keyword: Benzyl Alcohol, Solubility,

Solubilization, TX-100, and TX-405 二、前言、研究目的、文獻探討

乳液(emulsion) 是由兩（或更多）不互溶之液相組成的一熱力學不穩定的物質系統，通常其中一相為分散相、一為連續相。

例如，產業上最常見的是細微油滴分散於界劑水溶液(O/W)中。將原本不互溶的油- 水兩種物質形成一由細微油滴分散於連續之水相中的乳液，系統之自由能因著油-水界面面積之大量增加而大幅度上升，因而成為一熱力學不穩定的系統。透過外加的激烈攪拌為此物質系統提供大量能量，通常是形成乳液之一必要步驟。

若在上述油-水系統中加入適當的界面活性劑，可大幅度地降低油-水界面張力，

乳液形成所需外加能量可大幅度減少，甚至可進一步地自發生成乳液。此類乳液或自發性乳液之生成，在農業應用、清潔劑、

藥物輸送、食品製造、潤滑油、化粧品、

奈米粒子製備、和原油探採等相關產業均扮演著重要角色。

本實驗從界面張力量測實驗系統中，意外地發現一奇怪的油水自發混溶現象。現象有一點像自發性乳化作用(spontaneous emulsi- fication)，但其現象與文獻[1-7]上

所描述之自發性乳化並不一樣。文獻上所定義之自發性乳化作用，概略是描述將一含（預先混合）界劑和共同界劑 (co-surfactant)之油滴注入純水中，經由不同之機制(mechanism)，此油滴生成或裂解成無數奈米或微米級的細小油滴之程序。圖一顯示一自發性乳化作用的知名範例。

本計畫的研究目的是為了探討自發性乳化作用之機制。其機制至今仍未被釐清。

最有可能的機制有三： interfacial turbulence 、 diffusion and stranding 及 negative interfacial tension。其它可能的機制有 explosion of vesicles by osmotic gradient、sequential change in structure by temperature gradient、sequential change in structure by concentration gradient、myelinic figures and liquid crystal explosion 及 Rayleigh instability。

三、研究方法

本研究第一部分主要之研究方法是利用懸掛氣泡法(pendant bubble)來量測苯甲醇水溶液的動態表面張力，及平衡界面張力γ (C)。

懸掛氣泡法：利用懸掛氣泡量測張力的原理為懸垂液滴（如圖二）的形狀變化與液滴內外壓差，計算界面張力。將理論之懸垂液滴曲線與實驗上的懸垂液滴邊界做比對，找出最適化理論曲線，即可得到對應的界面張力值[8]。

現假設一懸垂液滴的密度較外界（另一相）大，則懸垂液滴側面影像如圖二所示

（若懸垂液滴之密度較外界低，則需使用反轉針頭打出液滴，側面影像為圖二之顛倒）。本研究中所量測的皆為氣-液界面的表面張力，因此是以反轉針頭在靜止的界劑溶液中瞬間打出一顆氣泡，懸掛在針頭上。

肉眼觀察：將配置好的醇類水溶液經三天攪拌後，靜置於 25

^o

C 之恆溫水槽中至少兩個星期。藉由肉眼觀察，醇類水溶液是否有第二相之生成。

UV/Vis 光譜儀：光譜儀通常測量物質之

官能基，且隨樣品的濃度越大所測得的訊

號也會越強。本實驗亦藉由 UV 光譜儀可

測得溶液中苯官能基之吸收波峰，藉此對

(5)

3

苯甲醇水溶液作定量分析。首先必須測量苯甲醇水溶液對吸收度之檢量線，濃度範圍為 0.01~0.1 wt%。之後再將苯甲醇水溶液稀釋至檢量線濃度範圍或配製在此濃度範圍內，如此可獲得苯甲醇水溶液之吸收度值，進而推算出苯甲醇水溶液之濃度，

藉以獲得苯甲醇水溶液中醇類之飽和濃度。

密度儀：利用密度儀(DMA 58)來量測苯甲醇水溶液中本體溶液之密度。由(1)式可得到液體之密度。系統震盪頻率誤差為 ± 0.0005 g/cm

³

，測量範圍為 0 ~ 3 g/cm

³

。其

關係式如下：

c V 2 M

T= π +ρ

(1) 其中，T 為震盪頻率(s)，c 為彈性係數，

M 為 U 型石英管的質量(g)，ρ 為密度 (g/cm

³

)，V 為 U 型石英管的體積(cm

³

)。

第二部分之研究方法主要是以懸垂液滴系統來觀察油滴於水溶液中非穩態相流紋產生的強弱、形狀、移動方向，進而來探討苯甲醇之可溶化(Solubilization)現象。另使用懸垂液滴影像數位化測量儀(如圖三所示)和密度儀，來測量油-水-界劑三成份兩相平衡溶液之表/界面張力，以求得其擴展係數(spreading coefficient)。

可溶化現象：界劑分子含有親油基和親水基，當界劑達一臨界濃度後，溶液中的界劑分子會聚集成一疏水基向內聚集、親水基向外延伸的聚集體，稱作微胞 (micelles)。此時若將有機物或油滴加入界劑水溶液中，部分油滴或有機物可溶於微胞內，此即為可溶化現象，此現象能增加有機物在水中的溶解度。

擴展係數：其為衡量一種液體(A)在另一種液體(B)表面上擴展能力的參數，可由兩液體各自的表面張力(γ

A

, γ

B

)與兩者間的界面張力(γ

AB

)求得

AB A B

A/B

- -

S =

γ γ γ

(2) 當S

A/B

≧0時，液體A將在液體B因為潤溼的作用而擴展，若S

A/B

<0，液體A將會因張力關係而縮成球狀，如圖四所示。兩液體各自的表面張力(γ

A

, γ

B

)與兩者間的界面張力(γ

AB

) 則由懸掛/垂氣泡/液滴影像數位化測量儀所測得。

四、結果與討論

本研究第一部分探討苯甲醇水溶液在水中之溶解度。藉由(i)測量苯甲醇水溶液之表面張力、(ii)肉眼觀察苯甲醇水溶液是否有第二相生成、(iii) UV/Vis 光譜儀來測量苯甲醇水溶液中本體溶液之醇類濃度、和 (iv)密度儀來測量苯甲醇水溶液中本體溶液之密度，來探討醇類在水中之溶解度。

苯甲醇水溶液經三天攪拌後，靜置於25

o

C之恆溫水槽中至少兩個星期。藉由肉眼觀察，發現苯甲醇水溶液在0.48 wt%濃度時，水溶液在液-氣表面或容器底部有細小油滴形成，如圖五所示。隨著濃度上升，

油滴數目有增多和變大趨勢。

使用懸掛氣泡法測量此苯甲醇水溶液之表面張力，發現在溶液本體中第二相生成後，張力仍隨著醇類濃度之上升而下降；

苯甲醇水溶液在4 wt%濃度左右，張力逐漸趨於平緩，如圖五所示。圖六顯示為三種不同醇類水溶液之平衡張力圖。

UV 光譜儀可測得溶液之苯官能基之吸收波峰。藉 UV 可測得苯甲醇水溶液中醇類之濃度。由圖七之測量結果顯示當苯甲醇水溶液中第二相開始生成時(C > 0.48 wt%)，水相中苯甲醇含量仍隨著苯甲醇添加量之上升而增加；濃度大於 4 wt%後，

水相中苯甲醇濃度漸趨於平緩。

藉由密度儀測量苯甲醇水溶液中溶液本體之密度。圖八顯示苯甲醇水溶液開始有第二相生成時(C > 0.48 wt%)，苯甲醇水溶液中溶液本體之密度仍隨著苯甲醇添加量之增加而增加；濃度大於 4 wt%後，溶液本體之密度逐漸趨於平緩。

表一為本研究第一部分之實驗結果與文

獻值之整理。以苯甲醇水溶液之溶解度為

例，其溶解度之文獻值為 4 wt%，而此次

之實驗結果為 0.48 wt%，兩者間有明顯之

差異。但藉由表面張力、 UV 及密度之實驗

結果，可發現苯甲醇水溶液之濃度大於 4

wt%後之後，張力值、UV 吸收值與密度值

才逐漸趨於平緩，所得之濃度與文獻值相

符。但 0.48 wt%為肉眼觀測苯甲醇水溶液

第二相開始生成時之濃度；當濃度大於 4

wt%後才達平衡。因此苯甲醇水溶液之濃

度 0.48 ~ 4 wt%間，所產生之現象，無法用

傳統熱力學之觀點來解釋。因根據相律

F=C-P+2，在定溫、定壓下的兩成份系統

若存在兩相時，該系統的自由度應為零，

(6)

亦即該系統物性在出現第二相(過飽和)後皆應相同。但由張力、UV 及密度之實驗結果可知其行為並非如此，故這之間的現象是值得進一步探討。

第二部份以自行組裝懸掛/垂氣泡/液滴影像數位化測量儀並搭配數位相機來探討 (1) 油滴於水溶液中非穩態相流紋產生的現象；(2) 固著油滴於氣液界面的現象。

本研究第二部份中針對 25

^o

C 下，油相為苯甲醇，水相為 3 wt% TX100、3 wt%

TX405 水溶液及純水等進行探討。

苯甲醇懸垂油滴在 3 wt% TX-100 水溶液中，則生成狀似由許多顆粒所堆疊成之非穩態相，如圖九所示；圖十顯示一苯甲醇之固著油滴於 3 wt% TX-100 水溶液之氣-液界面處無法潤濕。圖十一顯示苯甲醇懸垂油滴在 3 wt% TX-405 水溶液中，

則生成薄層狀的非穩態相，流至油滴底端，並如瀑布狀流向容器底端；苯甲醇之固著油滴於 3 wt% TX-405 水溶液之氣-液界面處會旋轉但無法潤濕於氣-液界面（如圖十二所示）。苯甲醇懸垂油滴在純水中

（如圖十三所示），其生成之非穩態相區甚薄，沿油滴外圍流至油滴底端後，以不固定方向流向容器底端；而圖十四顯示一苯甲醇之固著油滴於純水之氣-液界面處會旋轉但無法潤濕於氣-液界面。

由觀察中發現，在油水界面處皆會生成一非穩態相，其產生之情況隨界劑溶液的不同而產生變化。而對固著油滴對氣液界面的現象探討中發現，其是否會於氣液界面處旋轉與油水間的擴展係數有關。擴展係數可由油水間界面張力與油水各自的表面張力求得，如表二所示。隨擴展係數遞增，固著油滴將於氣液界面處旋轉，當擴展係數大於零，油滴將會在氣液界面潤濕形成膜。

五、參考文獻

1. J. C. Lopez-Montilla, P. E. Herrera - Morales, S. Pandey and D. O. Shah,

“Spontaneous Emulsification Mechanisms, Physicochemical Aspects, Modeling, and Applications,” J. Dispers. Sci. Tech. 23, 219 (2002).

2. Nishimi, T. and C. A. Miller, “Sponta- neous Emulsification Produced by Chemical Reactions,” J. Colloid Interface

Sci. 237, 259 (2001).

3. Lopez-Montilla, J. C., P. E. Herrera- Morales, and D. O. Shah, “New Method to Quantita- tively Determine the Spotaneity of the Emulsification Process,”

Langmuir 18, 4258 (2002).

4. Mohlin, K., H. Leijon, and K. Holmberg,

“Spontaneous Emulsification of Alkyl Ketene Dimer,” J. Dispers. Sci. Tech. 22, 569 (2001).

5. Buchanan, M., S. U. Egelhaaf, and M. E.

Cates, “Dynamics of Interface Instabilities in Nonionic Lamellar Phases,” Langmuir

16, 3718 (2000).

6. Davies, J. T. and E. K. Rideal, ”Diffusion through Interfaces” In Interfacial

Phenomena, 1st ed., Willmer, H., Eds., Academic Press, Inc., New York (1961).

7. Miller, C.A.”Spontaneous Emulsification Produced by Diffusion – A Review,”

Colloids Surf. 29, 89 (1988).

8. Huh, C. and R. L. Reed, “A Method for Estimating Interfacial Tensions and Contact Angles from Sessile and Pendant Drop Shapes,” J. Colloid Interface Sci., 91, 472. (1983).

9. Weast, R. C. “Handbook of Chemistry and Physics ” 83rd ed. (2002)

表一、苯甲醇之各種物性苯甲醇

Structure

Formula

C7H8O

Density (g/cm³

) 1.0417 [9]

Solubility

(g solute/100 g water)

4.0 [9]

0.467 s.t. at Region III

40.5 mN/m

△γat Region II 23 mN/m 註：粗體字為實驗結果表二、使用懸垂液滴法和固著液滴法測量

表面張力之準確性比較 S

^油/^水

(mN/m) 油相水相表面張力(mN/m) 29.13 純水 71.97

4.16 3wt% TX405 46.98 -12.85

苯甲醇 γ=8.62

(mN/m) 3wt% TX100 29.86

(7)

5

B

A S

A/B

≧0

A

B

S

A/B

<0 圖一、Schematic diagram showing

spontaneous emulsification process for drop of n-hexadecane /n-octane /C

12

E

6

contacting water [1].

圖二、懸垂液滴的座標系統

A V

A B

C E

SV

VT L

M PC

PC F

SP

G

TP T

R AI

H

AC

HC FN

QN

圖三、懸垂/固著液滴影像數位化測量儀

圖四、擴展係數對不同液體之示意圖

圖五、苯甲醇水溶液平衡張力暨溶液氣- 液和液-固界面上之微小油滴觀察

10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 C (mol/g)

20 30 40 50 60 70

Surfacetension(mN/m)

a b c

○:single phase

＋:two phases

a.苯甲醇水溶液

b.苯乙醇水溶液 c.正辛醇水溶液

T=25^oC

10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 C (mol/g)

20 30 40 50 60 70

a b c

○:single phase

＋:two phases

a.苯甲醇水溶液

b.苯乙醇水溶液 c.正辛醇水溶液

T=25^oC

圖六、三種不同醇類水溶液之平衡張力

△:苯甲醇含量

○:表面張力

10

^-1

10

⁰

10

¹

wt% of BzOH aq 40

50 60 70 80

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

BAinaqbulkphase(wt%)

I II III

Single phase

two phase

△:苯甲醇含量

○:表面張力

10

^-1

10

⁰

10

¹

wt% of BzOH aq 40

50 60 70 80

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

I II III

10

^-1

10

⁰

10

¹

wt% of BzOH aq 40

50 60 70 80

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

I II III

Single phase

two phase

圖七、苯甲醇水溶液中苯甲醇含量與溶液

表面張力

(8)

0 2 4 6 8 10 BA conc (wt%)

0.997 0.998 0.999 1

density(g/cm3)

油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-011-149-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學化學工程系

計 畫 主 持 人 ： 林析右

計畫參與人員： 碩士級-專任助理：邱明崑

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 12 月 17 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□ 期中進度報告 油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－011－149－

執行期間：95 年 8 月 1 日至 96 年 7 月 31 日

計畫主持人：林析右 共同主持人：

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

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□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

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列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：台灣科技大學化學工程系

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油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

一、中文摘要

本計畫擬探討油滴在界劑水溶液中之界 面動態現象。其研究內容分為兩部分：(1) 苯甲醇水溶液之溶解度； (2) 觀察苯甲醇在 純水及 3 wt%界劑水溶液中之可溶化行 為。

苯甲醇水溶液經三天攪拌後，於25

C之 恆溫水槽中靜置至少兩個星期。藉由肉眼 觀察，發現苯甲醇水溶液在0.48 wt%濃度 時，水溶液在液-氣表面或容器底部有細小 油滴形成，隨著濃度上升，油滴數目有增 多和變大趨勢。

使用懸掛氣泡法測量此苯甲醇水溶液之 表面張力，發現在溶液本體中第二相生成 後，張力仍隨著醇類濃度之上升而下降；

苯甲醇水溶液在4 wt%濃度左右，張力逐漸 趨於平緩。

密度儀可量測苯甲醇水溶液中本體溶液 之密度。發現溶液本體之密度於第二相生 成後仍持續增加，但當濃度約為 4 wt%

時，其密度逐漸趨於平緩。

本研究第二部分將觀察苯甲醇在 純 水 及 3 wt%界劑水溶液中之可 溶 化 行 為。將 苯甲醇置入純 水或界劑水溶液後，油-水兩

相界面處瞬時產生一流紋狀之非穩態相，

並沿著油滴底端流向容器底部。在 TX-100 水溶液中，則生成狀似由許多顆粒所堆疊 成之非穩態相；而於 TX-405 水溶液中，則 生成薄層狀的非穩態相，流至油滴底端，

並如瀑布狀流向容器底端；在純水中，其 生成之非穩態相區甚薄，沿油滴外圍流至 油滴底端後，以不固定方向流向容器底端。

界劑水溶液中形成微胞後，油滴或有機 物可溶於微胞內，此即為可溶化現象，此 現象能增加有機物在水中的溶解度。上述 可觀測到之非穩定相和相關流動行為，猜 測可能是由界劑水溶液之可溶化現象引發 而生成之相關行為。

關鍵詞：苯甲醇、溶解度、可溶化、 TX-100、

TX-405

This project studies the interfacial phenomena of oil-surfactant-water system.

The first part focuses on the investigation of the solubility of benzyl alcohol (BA) in pure water. The second part investigates the physical phenomena of a drop of benzyl alcohol contacting with 3wt % surfactant solutions.

The st of BA solution decreases at

increasing BA content, and reaches a

constant st at BA ~ 4 wt%. However, tiny

BA droplets appear at BA ~ 0.48 wt%. The

BA content of aqueous BA solution

increases at increasing BA concentration and

reaches a nearly value at BA~4 wt%. The density data indicates a break at ~ 4 wt%

also. Here comes a big question: Why the BA droplets appear so early (at such low concentration)?

The second part of this work investigates the physical phenomena of a BA droplet contacting with 3 wt% surfactant solution at 25

C.

This phase and phenomenon had never been reported in the literature. It needs more time to characterize it, and we are still working on it now.

Solubilization, TX-100, and TX-405 二、前言、研究目的、文獻探討

乳液(emulsion) 是由兩（或更多）不互 溶之液相組成的一熱力學不穩定的物質系 統，通常其中一相為分散相、一為連續相。

若在上述油-水系統中加入適當的界面 活性劑，可大幅度地降低油-水界面張力，

乳液形成所需外加能量可大幅度減少，甚 至可進一步地自發生成乳液。此類乳液或 自發性乳液之生成，在農業應用、清潔劑、

藥物輸送、食品製造、潤滑油、化粧品、

奈米粒子製備、和原油探採等相關產業均 扮演著重要角色。

本實驗從界面張力量測實驗系統中，意 外地發現一奇怪的油水自發混溶現象。現 象有一點像自發性乳化作用(spontaneous emulsi- fication)，但其現象與文獻[1-7]上

本計畫的研究目的是為了探討自發性乳 化作用之機制。其機制至今仍未被釐清。

三、研究方法

本研究第一部分主要之研究方法是利 用懸掛氣泡法(pendant bubble)來量測苯甲 醇水溶液的動態表面張力，及平衡界面張 力γ (C)。

懸掛氣泡法：利用懸掛氣泡量測張力的 原理為懸垂液滴（如圖二）的形狀變化與 液滴內外壓差，計算界面張力。將理論之 懸垂液滴曲線與實驗上的懸垂液滴邊界 做比對，找出最適化理論曲線，即可得到 對應的界面張力值[8]。

現假設一懸垂液滴的密度較外界（另一 相）大，則懸垂液滴側面影像如圖二所示

（若懸垂液滴之密度較外界低，則需使用 反轉針頭打出液滴，側面影像為圖二之顛 倒）。本研究中所量測的皆為氣-液界面的 表面張力，因此是以反轉針頭在靜止的界 劑溶液中瞬間打出一顆氣泡，懸掛在針頭 上。

肉眼觀察：將配置好的醇類水溶液經三 天攪拌後，靜置於 25

C 之恆溫水槽中至 少兩個星期。藉由肉眼觀察，醇類水溶液 是否有第二相之生成。

官能基，且隨樣品的濃度越大所測得的訊

號也會越強。本實驗亦藉由 UV 光譜儀可

測得溶液中苯官能基之吸收波峰，藉此對

藉以獲得苯甲醇水溶液中醇類之飽和濃 度。

密度儀：利用密度儀(DMA 58)來量測苯 甲醇水溶液中本體溶液之密度。由(1)式可 得到液體之密度。系統震盪頻率誤差為 ± 0.0005 g/cm

，測量範圍為 0 ~ 3 g/cm

。其

關係式如下：

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 95-2221-E-011-149-

執行期間： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學化學工程系

計畫主持人：林析右

計畫參與人員：碩士級-專任助理：邱明崑

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 96 年 12 月 17 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成果報告

□ 期中進度報告油滴在界劑水溶液中之界面動態現象研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫計畫編號：NSC 95－2221－E－011－149－

計畫主持人：林析右共同主持人：

中華民國 96 年 12 月 13 日

本計畫擬探討油滴在界劑水溶液中之界面動態現象。其研究內容分為兩部分：(1) 苯甲醇水溶液之溶解度； (2) 觀察苯甲醇在純水及 3 wt%界劑水溶液中之可溶化行為。

C之恆溫水槽中靜置至少兩個星期。藉由肉眼觀察，發現苯甲醇水溶液在0.48 wt%濃度時，水溶液在液-氣表面或容器底部有細小油滴形成，隨著濃度上升，油滴數目有增多和變大趨勢。

使用懸掛氣泡法測量此苯甲醇水溶液之表面張力，發現在溶液本體中第二相生成後，張力仍隨著醇類濃度之上升而下降；

苯甲醇水溶液在4 wt%濃度左右，張力逐漸趨於平緩。

密度儀可量測苯甲醇水溶液中本體溶液之密度。發現溶液本體之密度於第二相生成後仍持續增加，但當濃度約為 4 wt%

本研究第二部分將觀察苯甲醇在純水及 3 wt%界劑水溶液中之可溶化行為。將苯甲醇置入純水或界劑水溶液後，油-水兩

並沿著油滴底端流向容器底部。在 TX-100 水溶液中，則生成狀似由許多顆粒所堆疊成之非穩態相；而於 TX-405 水溶液中，則生成薄層狀的非穩態相，流至油滴底端，

並如瀑布狀流向容器底端；在純水中，其生成之非穩態相區甚薄，沿油滴外圍流至油滴底端後，以不固定方向流向容器底端。

界劑水溶液中形成微胞後，油滴或有機物可溶於微胞內，此即為可溶化現象，此現象能增加有機物在水中的溶解度。上述可觀測到之非穩定相和相關流動行為，猜測可能是由界劑水溶液之可溶化現象引發而生成之相關行為。

乳液(emulsion) 是由兩（或更多）不互溶之液相組成的一熱力學不穩定的物質系統，通常其中一相為分散相、一為連續相。

若在上述油-水系統中加入適當的界面活性劑，可大幅度地降低油-水界面張力，

乳液形成所需外加能量可大幅度減少，甚至可進一步地自發生成乳液。此類乳液或自發性乳液之生成，在農業應用、清潔劑、

奈米粒子製備、和原油探採等相關產業均扮演著重要角色。

本實驗從界面張力量測實驗系統中，意外地發現一奇怪的油水自發混溶現象。現象有一點像自發性乳化作用(spontaneous emulsi- fication)，但其現象與文獻[1-7]上

本計畫的研究目的是為了探討自發性乳化作用之機制。其機制至今仍未被釐清。

本研究第一部分主要之研究方法是利用懸掛氣泡法(pendant bubble)來量測苯甲醇水溶液的動態表面張力，及平衡界面張力γ (C)。

懸掛氣泡法：利用懸掛氣泡量測張力的原理為懸垂液滴（如圖二）的形狀變化與液滴內外壓差，計算界面張力。將理論之懸垂液滴曲線與實驗上的懸垂液滴邊界做比對，找出最適化理論曲線，即可得到對應的界面張力值[8]。

現假設一懸垂液滴的密度較外界（另一相）大，則懸垂液滴側面影像如圖二所示

（若懸垂液滴之密度較外界低，則需使用反轉針頭打出液滴，側面影像為圖二之顛倒）。本研究中所量測的皆為氣-液界面的表面張力，因此是以反轉針頭在靜止的界劑溶液中瞬間打出一顆氣泡，懸掛在針頭上。

肉眼觀察：將配置好的醇類水溶液經三天攪拌後，靜置於 25

C 之恆溫水槽中至少兩個星期。藉由肉眼觀察，醇類水溶液是否有第二相之生成。

藉以獲得苯甲醇水溶液中醇類之飽和濃度。

密度儀：利用密度儀(DMA 58)來量測苯甲醇水溶液中本體溶液之密度。由(1)式可得到液體之密度。系統震盪頻率誤差為 ± 0.0005 g/cm

擴展係數：其為衡量一種液體(A)在另一種液體(B)表面上擴展能力的參數，可由兩液體各自的表面張力(γ

)與兩者間的界面張力(γ

≧0時，液體A將在液體B因為潤溼的作用而擴展，若S

<0，液體A將會因張力關係而縮成球狀，如圖四所示。兩液體各自的表面張力(γ

)與兩者間的界面張力(γ

) 則由懸掛/垂氣泡/液滴影像數位化測量儀所測得。

C之恆溫水槽中至少兩個星期。藉由肉眼觀察，發現苯甲醇水溶液在0.48 wt%濃度時，水溶液在液-氣表面或容器底部有細小油滴形成，如圖五所示。隨著濃度上升，

使用懸掛氣泡法測量此苯甲醇水溶液之表面張力，發現在溶液本體中第二相生成後，張力仍隨著醇類濃度之上升而下降；

苯甲醇水溶液在4 wt%濃度左右，張力逐漸趨於平緩，如圖五所示。圖六顯示為三種不同醇類水溶液之平衡張力圖。

亦即該系統物性在出現第二相(過飽和)後皆應相同。但由張力、UV 及密度之實驗結果可知其行為並非如此，故這之間的現象是值得進一步探討。

第二部份以自行組裝懸掛/垂氣泡/液滴影像數位化測量儀並搭配數位相機來探討 (1) 油滴於水溶液中非穩態相流紋產生的現象；(2) 固著油滴於氣液界面的現象。

C 下，油相為苯甲醇，水相為 3 wt% TX100、3 wt%

則生成薄層狀的非穩態相，流至油滴底端，並如瀑布狀流向容器底端；苯甲醇之固著油滴於 3 wt% TX-405 水溶液之氣-液界面處會旋轉但無法潤濕於氣-液界面（如圖十二所示）。苯甲醇懸垂油滴在純水中

（如圖十三所示），其生成之非穩態相區甚薄，沿油滴外圍流至油滴底端後，以不固定方向流向容器底端；而圖十四顯示一苯甲醇之固著油滴於純水之氣-液界面處會旋轉但無法潤濕於氣-液界面。