泡沫穩(wěn)定性地測量

1、實(shí)驗(yàn)四 泡沫穩(wěn)定性的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y量一定條件下泡沫的半衰期，用以判斷泡沫的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)原理泡沫是氣體分散于液體中的多相分散體系，氣體是分散相 （不連續(xù)相），液體 是分散介質(zhì)（連續(xù)相）。制備泡沫的過程中，液體中的氣泡在密度差的作用下易在 液面上形成以少量液體構(gòu)成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物泡沫。泡沫的發(fā) 泡性是指泡沫生成的難易程度和生成泡沫量的多少；泡沫的穩(wěn)定性是指生成泡沫 的持久性（壽命），即消泡的難易。用于測量泡沫性能的方法有許多，傳統(tǒng)方法有氣流法、振蕩法和攪動(dòng)法。現(xiàn) 代方法有：近紅外掃描儀法、電導(dǎo)率法、光電法、高能粒子法、聲速法、顯微法。本文主要根據(jù)泡沫形成的方式對氣流法和攪動(dòng)法進(jìn)行介紹。1氣

2、流法：氣流法的裝置為一帶刻度的、底部裝有毛細(xì)管的圓柱形石英管。為確保起泡前容器壁保持干燥，需通過長頸漏斗伸向容器底部向容器中加入試 液。試驗(yàn)時(shí)，以恒定的速度向容器內(nèi)緩慢通氣一段時(shí)間后，立即測量停止通氣時(shí)產(chǎn)生泡沫體積作為溶液起泡性的量度。記錄下泡沫高度衰減到原來高度的一半時(shí) 所需的時(shí)間t1/2，用于表征泡沫的穩(wěn)定性。此外，膜起泡法也是通氣法中的一 種，這種新方法主要是使作為分散相的氣體通過膜的微孔被壓入溶液中，產(chǎn)生的氣泡被溶液中的表面活性劑穩(wěn)定，并由于氣體流動(dòng)的剪切力使之與膜表面分離。此法的優(yōu)點(diǎn)是泡沫的粒徑分布在一個(gè)較窄的區(qū)域內(nèi)，并隨膜孔直徑的變化而變 化。氣流法儀器簡單，重復(fù)性良好，是目前比較

3、常用的泡沫性能評價(jià)方法之一。但如果刻度量筒直徑過小時(shí)（小于 3cm），會(huì)存在壁效應(yīng)，對測試結(jié)果產(chǎn)生一定 的誤差。圖5厲說法側(cè)量想洙性能攪拌法（Waring-Blender 法）：將一定體積待測試液加人量筒中，記錄液體高度為I，開動(dòng)攪拌器，轉(zhuǎn)速4000-13000r/min ，攪動(dòng)30秒后，停止攪拌，記錄泡沫初始高度為 M，記錄 5min后泡沫高度為R,試驗(yàn)溫度為（25 士 1） C，溶液的發(fā)泡力Fm，泡沫穩(wěn)定 性Fr分別表示為：Fm=M-IFr=R-I泡沫性能v-t曲線攪拌法：在相同的條件下，攪動(dòng)量筒中的試液產(chǎn)生泡沫，以停止攪拌時(shí)的泡 沫體積表示起泡性，以泡沫體積隨時(shí)間的變化計(jì)算泡沫壽命： V

4、為時(shí)間t時(shí)的泡 沫體積，V0是泡沫層最大體積。攪拌法測定泡沫的穩(wěn)定性可由v-t曲線求得，量出v-t曲線下的積分量，即為泡沫體積對時(shí)間的積分 面積，用Lf表示出泡沫的穩(wěn)定性。在攪拌過程中可以控制其攪拌速度不變，這 種方法與傾瀉法或振蕩法相比具有更好的重復(fù)性。此法操作方便，重現(xiàn)性好，能較準(zhǔn)確地反映出發(fā)泡劑的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性，是用于評價(jià)發(fā)泡劑性能優(yōu)劣的 常用方法。1泡沫的穩(wěn)定性，可以用泡沫排液速度或泡沫半衰期來量度。顯然，泡沫越 穩(wěn)定，排液速度愈小，半衰期愈長。泡沫半衰期是指：由泡沫中排出的液體體積 為泡沫未排液時(shí)全部液體體積的一半所需的時(shí)間。它可用下法求出：設(shè)V0 :泡沫中液體的體積(即發(fā)泡液

5、體積)；Vt: t時(shí)間由泡沫排出的液體體積；V0 Vt :泡沫中為排除的液體體積，它隨時(shí)間增加而減小。瞬時(shí)排液速度為：-d(V0-Vt)/dt=K(V0-Vt)n或 dV/dt=K(V0-Vt)n式中n稱為排液級數(shù)，K稱為比例常數(shù)，它與溫度，液體密度，液體粘度， 泡沫的高度，重力等因素有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)過程中，從泡沫中排除的液體的體積隨著時(shí)間增加而增加。故可得Vt-t曲線，利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)中測定反應(yīng)級數(shù)的方法，可以確定n和K值，從而可求出泡沫的半衰期t1/2方法是：在曲線上任取兩點(diǎn)。則此兩點(diǎn)上的瞬時(shí)排液 速度分別為：(dV/dt)1=K(V0-Vt )n1, (dV/dt)2=K(V0-Vt) n2,

6、二式取對數(shù)相減既得：lE(dir/dt) l-lE(AV/dt)2皿 lE(V0-¥i)l-lE(iro-Tt)2另外，瞬時(shí)排液速度通式取 對數(shù)，可取：lgK=nlg(V0-Vt)-lg(dV/dt)通過此式可解得K，求得n和K值，代入排液速度公式，并令 Vt=1/2V0。 即可求出t1/2。2影響泡沫穩(wěn)定性的因素泡沫的穩(wěn)定性的含義是泡沫存在“壽命”的長短，換言之，是指生成泡沫的 持久性。泡沫是一種亞穩(wěn)態(tài)的體系，影響其穩(wěn)定性的因素較為復(fù)雜，主要有以下 幾個(gè)方面。2.1泡膜性質(zhì)的影響起泡溶液的表面張力隨著泡沫的生成，液體表面積增大，表面能增高。根據(jù)Gibbs原理，體系總是趨向于較低的表

7、面能狀態(tài)，低表面張力，可使泡沫體系能量降低，有利于泡 沫的穩(wěn)定。液膜的Plateau交界（圖1中的PB處）與平面膜（圖1的A處） 之間的壓差4P與溶液表面張力c成正比，表面張力低則壓差小，因此排液速率 減慢，有利于泡沫的穩(wěn)定。但事實(shí)證明，液體表面張力不是泡沫穩(wěn)定性的主要影 響因素，只有當(dāng)表面膜有一定的強(qiáng)度、能形成多面體的泡沫時(shí)，低表面張力才有 利于泡沫的穩(wěn)定。醫(yī)1腋腥排戕機(jī)理表面粘度表面粘度是指液體表面單分子層內(nèi)的粘度。 這種粘度主要是指表面活性分子 在其表面單分子層內(nèi)的親水基間相互作用及水化作用而產(chǎn)生的。可以認(rèn)為泡沫的穩(wěn)定性取決于液膜的排液速率，排液速率則受表面粘度的控制，表面粘度越大， 排

8、液速率越小，泡沫的壽命越長。液相粘度起泡溶液粘度的增加，使泡沫液膜不易被破壞，這里有雙重作用：一是增加 了液膜的表面強(qiáng)度，另一個(gè)是延緩了排液時(shí)間，即液膜變薄速率降低，增加了泡 沫的穩(wěn)定性。但液體粘度僅為一輔助因素，若沒有表面膜的形成，即使液相粘度 再大也不能形成穩(wěn)定的泡沫。表面彈性和Marangoni 效應(yīng)泡沫受到?jīng)_擊時(shí)，泡膜局部變薄，表面積增加，表面活性劑分子的密度減小， 表面張力增大；在形成的表面張力梯度的作用下，表面活性劑分子沿表面擴(kuò)張并 拖帶著相當(dāng)量的表面下的溶液，使局部變薄的泡膜又恢復(fù)到原來的厚度， 這種現(xiàn) 象叫表面彈性或Gibbs彈性。表面活性劑分子向著局部變薄的泡膜擴(kuò)散并使變 薄

9、處的液膜的表面張力恢復(fù)到原來的大小， 需要一定的時(shí)間，這就是Marangoni 效應(yīng)。顯然，加入表面活性劑前后，c變化越大，形成的表面張力梯度越大，Gibbs-Mara ngo ni效應(yīng)也越顯著，泡沫的修復(fù)作用就越強(qiáng)。表面彈性有助于泡膜厚度保持均勻，增加泡沫的穩(wěn)定性。當(dāng)表面活性劑濃度較高時(shí)(超過離子膠束 濃度時(shí))，溶液中的表面活性劑迅速擴(kuò)散到表面，使局部的表面張力很快降低到 原來的大小，而變薄的部分未得到修復(fù)，泡沫的穩(wěn)定性降低。因此Gibbs認(rèn)為，泡沫的穩(wěn)定性與表面張力降低的速率有關(guān)：表面張力降低速率越快，新形成的表面張力梯度消失的越快，越易引起泡沫的破裂。Varad 對多種表面活性劑表面張力

10、動(dòng)力學(xué)測定的結(jié)果表明：表面張力降低速率大于1000mN/(m s)時(shí)泡沫不穩(wěn)定；若在500mN/(m s)左右，泡沫較穩(wěn)定。表面張力降低的速率除了與表面活性劑的濃度和溫度有關(guān)外，主要和活性劑分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。表面活性劑分子結(jié)構(gòu)的影響表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)對泡沫的穩(wěn)定性有較大的影響， 尤其是分子中憎水鏈 的長度是影響氣泡中氣體分子擴(kuò)散速率的主要參數(shù)。 從這個(gè)角度講，憎水鏈越長， 則氣體擴(kuò)散速率越慢，泡沫越穩(wěn)定。但擴(kuò)散只是一個(gè)因素，它在泡沫排液時(shí)可以 忽略，最終形成黑膜(Black Flim)時(shí)才對泡沫的穩(wěn)定性起決定作用。液膜的表面電荷(分離壓力)如果泡沫液膜帶有相同電荷，液膜的兩個(gè)表面將互相排斥，以

11、防止液膜變薄 乃至于破裂。離子型表面活性劑的泡膜中，反離子不能中和表面活性劑同側(cè)的吸 附電荷，而在泡膜中形成擴(kuò)散層。當(dāng)膜厚度變得近于擴(kuò)散層厚度時(shí)， 泡膜兩側(cè)吸 附電荷產(chǎn)生的斥力(分離壓力)阻止膜的變薄，有利于泡沫的穩(wěn)定性。這種分離 壓力可因溶液中電解質(zhì)濃度的增加而顯著減弱， 多價(jià)離子影響特別顯著，Pandey 等針對Li+、Na+、Cs+和Mg2+對陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鹽泡沫穩(wěn)定 的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，加入這些離子后，溶液泡沫的穩(wěn)定性順序?yàn)椋篖iDS v NaDS vCsDS?Mg(DS)2，說明CsDS和Mg(DS)2 會(huì)緊密的排列在氣液界 面上，增大了表面膜的強(qiáng)度，從而能有效

12、的增加泡沫的穩(wěn)定性。當(dāng)然此效應(yīng)僅在液膜較薄時(shí)才起明顯作用。表面活性劑的復(fù)配協(xié)同作用能形成穩(wěn)定泡沫的液體至少有兩個(gè)以上組分。 表面活性劑之間復(fù)配后增強(qiáng)起 泡和穩(wěn)泡效果的報(bào)道較多。兩性表面活性劑和離子型表面活性劑之間可以產(chǎn)生協(xié) 同作用，Askvik等利用表面張力、黏度及電泳等測試手段對木素磺酸鈉和十六 烷基溴化銨（CTAB）溶液的泡沫性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明二者之間有強(qiáng)烈的協(xié) 同作用。Langevin的研究結(jié)果表明，某些陽離子表面活性劑和陰離子表面活性 劑混合水溶液也可以產(chǎn)生協(xié)同作用， 可大大降低溶液的表面張力，從而增加溶液 的發(fā)泡性和泡沫的穩(wěn)定性。2.2宏觀條件的影響泡沫質(zhì)量的影響泡沫質(zhì)量是指泡

13、沫中氣體所占總體積的百分比。Minssieux認(rèn)為泡沫質(zhì)量對 其穩(wěn)定性有決定性影響，且這種影響隨泡沫衰變的主要機(jī)理不同而異。以排液為主要衰變機(jī)理的泡沫，其穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量的增加而增加； 以氣體擴(kuò)散為主要衰 變機(jī)理的泡沫，其泡沫穩(wěn)定隨泡沫質(zhì)量的增加而降低。前者因泡沫質(zhì)量提高，氣泡半徑變小，泡膜變薄，排液速率降低；后者，由于泡沫質(zhì)量增加，加速了氣體 擴(kuò)散速率，泡沫變得不穩(wěn)定。壓力和氣泡大小分布的影響泡沫在不同壓力下穩(wěn)定性不同：壓力越大，泡沫越穩(wěn)定。Rand研究了表面活性劑水溶液泡沫，在不同壓力下的排液時(shí)間，研究發(fā)現(xiàn)：壓力與泡沫排液時(shí)間 呈直線關(guān)系。這是因?yàn)榕菽|(zhì)量一定時(shí)，壓力越大，泡沫的半徑越小，

14、泡膜的面 積越大，液膜變得越薄，排液速率就降低。Monsalve從理論上闡明，單位時(shí)間內(nèi)泡沫數(shù)的減少與最初氣泡大小分布頻率有關(guān)。氣泡分布越窄，越均勻，泡沫越穩(wěn)定。因此，欲獲得穩(wěn)定泡沫，應(yīng)盡量使泡沫的氣泡半徑分布窄一些。氣體的溶解度和滲透率Sharorarnikov等注意到，氣體擴(kuò)散使泡沫破滅的速度，與氣體在液相中的 溶解度和擴(kuò)散系數(shù)之乘積成正比。Schwarz在研究泡沫中小泡消失和大泡長大現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)除去泡沫中大部分空氣，而氣泡中主要含水蒸氣時(shí)大泡的長大要 快得多；若完全排除空氣，此過程快的難以產(chǎn)生泡沫。這是因?yàn)闅怏w在液相中溶 解度和擴(kuò)散系數(shù)越大，從小泡向大泡的擴(kuò)散就越快，從而加速了泡沫的衰

15、變過程。溫度的影響泡沫的穩(wěn)定性隨溫度增高而下降。在低溫和高溫下泡沫的衰變過程不同：低 溫下，泡沫排液使泡膜達(dá)到一定的厚度時(shí)， 就呈現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，其衰變機(jī)理主要是氣 體擴(kuò)散；高溫下，泡沫破滅由泡沫頂端開始，泡沫體積隨時(shí)間增長而有規(guī)定的減 小。其原因是：最上面的泡膜上側(cè)，總是向上凸的，這種彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏 感，溫度越高蒸發(fā)就越快，泡膜變薄到一定厚度就自行破滅。因此，多數(shù)泡沫在 高溫下是不穩(wěn)定的。224溶液pH值的影響pH值的變化對非離子型表面活性劑水溶液泡沫的性質(zhì)基本無影響，但對離 子型表面活性劑來說溶液泡沫的穩(wěn)定性卻可以產(chǎn)生較大的影響。Ozdemir等研究了 pH值對鼠李糖酯R1和R2溶液泡沫性

16、能的影響，對pH=5.0和pH=6.8 時(shí)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明當(dāng)pH=5.0時(shí)最大泡沫體積有所減少，但泡 沫的穩(wěn)定性卻明顯增加。溶液的組成不同，則pH值對泡沫性能的影響也各不相 同，主要原因是pH值的改變影響了活性物質(zhì)之間或活性物質(zhì)與水之間的作用 力。三儀器和試劑泡沫測試儀一套，SC-20型高溫循環(huán)器一臺(tái)，電子天平，秒表，500ml容 量瓶，配置0.25%市售洗衣粉溶液500mL （稱取1.25克市售洗衣粉，置于500ml 容量瓶中，加150ppm 硬水至刻度，硬水配制方法為：稱取0.148g MgSO 4 7H2O, 加0.132g CaCb2H2O,再加蒸餾水使溶液的體積恰為10

17、00mL，所得即為150ppm 硬水） 四實(shí)驗(yàn)步驟1. 將泡沫儀分別用蒸餾水洗凈后，再用待測溶液洗三次，恒溫40 C；2. 從d處加入發(fā)泡液，經(jīng)活塞S流入發(fā)泡室A和體積刻度管A，用連接d處的加液漏斗調(diào)節(jié)液面至V毫升處。V即發(fā)泡液體積；3. 關(guān)閉sd通路，旋轉(zhuǎn)活塞S,從e處用吸液球慢慢壓入空氣。空氣通過多孔板 進(jìn)入發(fā)泡室產(chǎn)生大量氣泡，氣泡在發(fā)泡室上升形成泡沫，立即關(guān)閉es通路。待A管下端的泡沫與溶液的分界液面清晰可見， 開始計(jì)時(shí)，以后每隔0.30mL 計(jì)一次時(shí)，共計(jì)810次，其體積即為t時(shí)間由泡液排出的液體體積 Vt。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理列表:體積/mL0.30.60.91.21.51.82.12.

18、4時(shí)間/S0.6721366194130280數(shù)據(jù)處理:Vo=5.OOmL，有圖可得曲線方程為：V=At2+Bt+C 即 V=- 4.24098 X 10t2+0.01876t+0.45444則 dV/dt二 8.48196 X 1前+0.01876當(dāng) ti=21s 時(shí)，dV/dt=0.01698, Vti=0.90ml當(dāng) t2=94s 時(shí)，dV/dt=0.01079, Vt2=1.80ml由2 lE(*0-rt)l-lE(1TO-TO?得 n=(lg0.01698-lg0.01079)/(lg4.10-lg3.20)=1.82950及n=1.82950可得lgK=2.89115令Vt=0.5V 0代入有2.89115=1.82950lg2.5-lg(dV/dt) 得 dV/dt=6.86879 x 10A-3由 dV/dt=- 8.48196 x 10At+0.01876得 t1/2 =0.00140參考文獻(xiàn)：1 史奇冰固液吸附與含離子液體體系汽液平衡的模型化研究D.北京化工大學(xué),2004.2