如何用QCM-D测量薄膜的膨胀

你有没有注意到隐形眼镜是如何变干、皱折并变形但如果将其放回隐形眼镜溶液中，它又会恢复到原来的形状？ 许多天然和人造材料的功能和特性取决于它们吸收和释放水的能力。 隐形眼镜就是一个例子，但食品和化妆品中的增稠剂和乳化剂以及过滤装置都取决于材料水合和脱水的能力。因此在产品研究和开发中，研究这些材料的膨胀过程就非常重要。 这可以通过QCM-D来完成，QCM-D是一种表面敏感技术，可用于表征和优化薄膜中水的吸收和释放过程。

监测薄膜的水分吸收和膨胀

取决于表面上的分子和分子构象，薄膜中的含水量可以大于95％。 例如，考虑在表面上吸附平坦的细长分子，如图1所示。具有这种分子排列的吸附层将只有少量的水；而如果它们以直立的方式吸附，将会有更多的水能够与分子偶联。 分子层的水合和脱水以及这两种状态之间的转变可用QCM-D来表征，其中水分吸收和膨胀表现为表面质量的增加。

图1.塌缩吸附在表面上的分子（左侧）与直立吸附（右侧）相比吸附的溶剂少。

薄膜膨胀的例子

举个例子，我们来看一下淀粉薄膜中的水分吸收情况。 淀粉是诸如造纸工业和可食用薄膜设计中的重要组成部分。 在这两个领域，环境湿度对材料强度和质量的影响是一个核心问题。 对于纸张来说，淀粉溶解度应该很低，以便纸张在环境湿度范围内保持稳定。 另一方面，对于可食用材料，淀粉材料应该可以溶解，并且溶解度需要高于特定的环境湿度。

在这个例子中，我们将一层天然马铃薯淀粉薄膜暴露在不同湿度的空气中，同时测量薄膜厚度变化，如图2所示。

l  测量开始时的薄膜厚度设定为100％。 测量从空气湿度11％开始。

l  接下来，逐渐增加湿度，并监测薄膜厚度变化。 随着湿度增加，膜的厚度增加。

l  值得注意的是，当湿度从100％变回到11％时，淀粉薄膜在几秒钟内就会塌陷回原来的厚度。

该测量显示了湿度是如何引起膜的膨胀并影响薄膜厚度的。 结果可深入了解材料在不同湿度条件下的表现。

图2.蒸汽吸收和薄膜膨胀的分析。 天然马铃薯淀粉薄膜的厚度与空气湿度的函数关系。

遇到的其他薄膜膨胀的情况

除了纸浆和造纸工业之外，蒸汽吸收和薄膜膨胀的测量在许多其他使用吸湿材料的领域也是相关的。 例如在用于储存和输送的药物包封以及水敏应用中，比如在防潮设备的材料设计中，材料的性质必须不受环境湿度变化的影响。 在许多其他情况下也会出现膨胀现象，例如在表面活性剂引起土壤的溶胀的清洗过程中，，以及在设计对pH、温度或离子强度有响应的智能材料中。