本文要点：利用水分子在约1450 nm波长处吸收红外光，本实验研究通过分析溶解动力学、追踪相变过程（结合交叉偏振光学成像），监测表面活性剂与聚合物溶液的干燥动力学，展示了SWIR成像在追踪软材料体系水分传输中的多样化能力。研究呈现了非离子表面活性剂六乙二醇单十二烷基醚（C12E6）二元水溶液达到平衡的动态相演变过程；通过追踪胶束相到六方相的转变浓度（C*），探究了动态扩散界面传输毛细管中受限水合作用的影响；针对工业常用添加剂——单价盐（NaCl）不同浓度的影响，研究了层状结构浓缩月桂醇聚醚硫酸钠（70 wt% SLE1S）膏体的径向（二维）溶解特性；开发了一项基于总溶解时间及样品与溶剂中表面活性剂浓度估算径向溶解系数的方程。此外，通过追踪聚乙烯醇（PVA）水溶液的薄膜干燥过程研究水分损失，利用干燥动力学的原位监测构建溶液黏度与干燥时间的关联模型。SWIR成像技术已揭示了表面活性剂水合作用中以往难以观测的机制，并有望成为追踪水分传输的即用型方法，从而提升质量控制和产品稳定性分析水平。

图1. 利用SWIR成像可视化水在表面活性剂和聚合物溶液中状态示意图

样品准备：溶解与干燥实验所用的SLE1S和PVA溶液分别按20克和40克批量配制。在70 wt% SLE1S溶液中添加氯化钠（1、2和5 wt%），添加量按表面活性剂与水混合物的总质量计算。玻璃样品瓶置于40°C热板上，封口膜覆盖，每24小时轻微搅拌一次，恒温静置平衡5天。聚乙烯醇（PVA）水溶液制备时，将室温水加入含定量PVA粉末（1和20 wt%）的玻璃瓶，于60°C烘箱加热48小时，每24小时轻柔搅拌以确保均匀分散。相演变研究中，使用注射器直接吸取浓缩C12E6溶液（0.192、0.144及0.096毫升）注入毛细管，无需额外处理即可进行实验。

图2. C12E6毛细管从起始到平衡

图2展示了初始填充浓度为毛细管总体积40%、30%和20%的C12E6-水体系毛细管中水浓度与相态演变过程。表面活性剂-水界面形成后，扩散作用沿毛细管长度方向建立起均匀的水浓度梯度（图3及S3）。初始阶段浓度与化学势呈现陡峭梯度，随时间推移梯度衰减并线性化——水分子向内扩散使内部区域浓度升高，同时C12E6分子逆向向外扩散。如图3所示，水与表面活性剂历经43天逆向扩散：第1天的陡峭梯度至第14天趋于平缓，第30天接近平衡状态。最终40%、30%、20%初始填充体系分别达到60%、70%和80%的目标平衡水浓度。所有毛细管均完整经历了预期相变序列：胶束相（L1）、六方相（H1）、立方相（V1）、层状相（Lα）或具有双折射特性的液晶相——该演变过程与Mitchell等提出的平衡相图完全吻合。

图3. 从开始（t=0）到达到平衡阶段（t=43天），40%填充时整个毛细管内的水浓度演变曲线

改变毛细管内水与表面活性剂的比例会显著影响相变速率及持续时间：较高填充浓度会导致水分扩散缓慢且相变延长（图3）；而梯度更陡峭的填充体系则引发快速相变。在40%填充浓度的毛细管中，水合作用缓慢进行，使得液晶立方相与层状相稳定性显著延长，耗时近一个月才完全平衡为六方相，并观察到明显的双折射图案；20%填充体系则呈现最快的相演变过程，液晶相短暂出现后，整个毛细管迅速转变为胶束相（L1）。该现象为通过毛细管水浓度-时间曲线分析相依赖型一维扩散系数提供了新思路：定性而言，20%填充体系在40mm处短时陡峭斜率表明快速扩散，而40%填充体系的平缓斜率则揭示较慢扩散速率。

图4. C*水浓度的演变和毛细血管富水端的大致位置。收集数据直到胶束或六方相消失。

表1. 水和表面活性剂（100–水）浓度在胶束-六方相界面上的演化

除相变数量、类型及动力学信息外，相边界浓度的确定尤为关键，其中胶束-六方相边界（C*）的水浓度及其在毛细管中的时空演变如图4所示。六方相具有极高黏度，易引发管道阻塞与流动中断等问题，故实际生产中通常需规避该相态。

图5. 表面活性剂糊剂溶解到各向同性胶束相的SWIR图像和径向溶解系数

图5展示了从初始浸润至膏体完全溶解为胶束相的有效溶解系数及短波红外图像数据，经公式2计算得纯净70重量百分比SLE1S的平均有效径向溶解系数为8.163×10⁻⁹ m²/s。SLE3S分子因更高乙氧基化程度产生的强亲水性增强可能促进水分在膏体内的传输效率。NaCl的添加显著影响径向溶解系数（图5e）：随NaCl浓度升高，溶解系数从1%浓度时的5.892×10⁻⁹ m²/s递减至2%时的4.701×10⁻⁹ m²/s，5%时降至3.453×10⁻⁹ m²/s。尽管NaCl具有吸湿性，其反而阻碍水分向膏体渗透。

图6. 交叉偏振光显微照片

图6显示添加NaCl的纯净层状结构70重量百分比SLE1S溶液在浸润前微观结构：2%与5% NaCl浓度下出现六方相典型扇状结构（图6c,d）。如前所述，致密六方相具有极高粘度(84)，限制水分迁移能力，最终导致溶解过程减缓。

图7. 干燥过程的SWIR图像

在固定环境与物理条件（非吸附性基底、零风速）下，聚合物溶液的成膜（干燥）过程主要受水分蒸发速率控制。图7展示了相同水解度（∼80%）、不同分子量（24.5与171.0 kg/mol）的PVA溶液在水中浓度的干燥动力学曲线。其中低分子量PVA 403的重叠浓度为3.93 g/dL，PVA 420H为3.92 g/dL；所选浓度（1wt%与20wt%）分别代表稀溶液与浓溶液两种聚合物状态。两种浓度的干燥曲线呈现显著动态差异：斜率与拐点特征明显，当归一化吸光度趋近零时表明完全干燥。

短波红外成像（SWIR）作为软物质研究中新兴却未充分开发的技术，具备高通量水分追踪能力，可建立时变材料关系并设计具有精准水合速率的产品。本研究揭示了动态表面活性剂相行为、溶解及干燥机制：受限环境中的相变行为与平衡态存在差异，胶束-六方相边界（C*）受毛细管内表面活性剂溶液的初始体积影响；向70 wt%层状结构SLE1S原料中添加氯化钠形成的六方相显著延缓溶解；而聚乙烯醇（PVA）水溶液的干燥时间则取决于聚合物浓度与粘度。通过调控表面活性剂与水相的初始填充比来控制相形成浓度及转变动力学，为定制产品行为提供了有力工具。掌控这些转变过程可使配方师优化水合速率，实现伤口敷料、药物等应用的控释效果，或促进洗涤剂的快速溶解。溶解系数的精确测量将进一步优化该过程，为水合动力学提供精细洞察。此外，干燥时间的解析将指导成膜工艺，保障涂料涂层性能的稳定性。

参考文献

Kelkar P, Caggioni M, Erk K A, et al. Tracking Water Transport with Short-Wave Infrared: Kinetic Phase Diagrams, Dissolution, and Drying[J]. Langmuir, 2025.

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