2.2 APTES在絹云母上的自組裝過程

根據(jù) Owen-Wendt-Rabel-Kaelble 方程（6），通過測量粉末在至少 2種不同浸潤液中的接觸角，可以獲得粉末表面的張力。

[(1+cos θ) σ1] / [2√(σ1D)] = √(σSP) × √(σ1P/σ1D) + √(σSD)(6)

式中 σs 為粉末表面張力。

圖 5（a）為粗糙絹云母粉末在不同 APTES質(zhì)量分數(shù)下的分子自組裝膜的表面張力，圖中的數(shù)據(jù)點表現(xiàn)出周期波動的特點。為了獲得該曲線的波峰和波谷，對圖5（a）進行插值處理。圖5（b）顯示在小于1.2％，曲線具有周期性，且波峰與波谷隨著 APTES用量的增加而增大。根據(jù)圖5（b），分別選取峰谷和峰尖的APTES用量及表面張力列入表2。

圖 5 粗糙絹云母粉末的表面張力 (a)實驗值 (b) 插值

表 2 APTES多層分子自組裝膜的表面張力

由表2可見，每一個峰谷與峰尖對應(yīng)APTES分子在云母的表層新的完整分子層形成，當(dāng)APTES質(zhì)量分數(shù)為0.063％時，APTES分子與云母的表層-OH反應(yīng)，形成完整的單分子層，此時APTES的氨基表露在外。

當(dāng)APTES質(zhì)量分數(shù)為0.140％時，溶液中的APTES分子上的氨基和乙醇的羥基能與第1層單分子膜表面的氨基形成氫鍵，這是競爭性的結(jié)合，用甲苯對不同質(zhì)量分數(shù)處理的絹云母粉末進行索氏抽提，抽提處理前后的表面張力沒有發(fā)生太大的變化，說明新形成的 APTES層比較穩(wěn)定，這可能是由于吸附在第 1層單分子膜表面的相鄰 APTES的乙氧基表露在分子層外表面，部分 ≡Si-OC2H6 與溶液中微量的水發(fā)生水解，自聚，因此能夠比乙醇更牢固的吸附在第 1層單分子膜表面。隨著 APTES用量增加， APTES能夠交替形成自組裝多分子層。由于氫鍵具有飽和性和方向性，單分子膜表面上的 1分子氨基對應(yīng) 1分子的 APTES分子，表現(xiàn)在表 2中，每個周期對應(yīng)的 APTES用量差值相差不大。

2.3 分子自組裝APTES密度

相同的固體表面，測量尺寸越小，測量結(jié)果就越能體現(xiàn)出表面微觀性。以N2分子作為標尺測量的比表面積相當(dāng)于絹云母粉末的真實表面Sa；而激光粒度儀以微米波作為標尺所測量的比表面積相當(dāng)于粉末表面的投影面積 St。本文中絹云母粉末的真實表面 Sa 和投影面積 St 分別為9.1347和 0.521 m2/g，據(jù)此獲得絹云母表面粗糙度 γ=Sa/St 為 17.5。

采用Wilhelmy吊片法，測得絹云母片與乙醇的接觸角接近 0°。但是經(jīng) Washburn法測量絹云母粉末與乙醇的前進角為 26°，這是由于絹云母粉末極其粗糙表面所引起的。根據(jù) Wenzel和 Cassie復(fù)合方程（5），可以計算出 f2=0.103。當(dāng) APTES在絹云母粉末表面形成單分子層時， APTES質(zhì)量分數(shù) wt 為

wt = (γ f2 St) / (S(APTES) R) × M(APTES)(7)

式中：M（APTES）為 APTES的相對分子質(zhì)量；S（APTES）為 APTES覆蓋在絹云母表面的分子截面積；R為阿伏伽德羅常數(shù)。當(dāng)APTES質(zhì)量分數(shù)為0.063％，形成單分子層，可以計算出S（APTES）=0.55 nm2，因此絹云母粉末自組裝單分子層APTES密度為1.82×1018個／m2。

3 結(jié)論

1）由于APTES分子上不同的端基，使得隨著APTES用量的增加，粉末表面的張力交替變化，APTES分子在絹云母表面形成自組裝多分子層。

2）由于絹云母粉末表面極端粗糙γ為17.5，使得APTES/乙醇溶液對絹云母粉末表面不能完全浸潤，APTES只能在液體與固體接觸部位進行分子自組裝。

3）絹云母粉末自組裝單分子層APTES密度為1.82×1018個／m2。