表面活性劑對起泡性的研究

1、表面活性劑的起泡性研究表面活性劑對起泡的影響和作用夏善慧應(yīng)用化學(xué) 0801 2008010744摘要 : 泡沫是氣體分散在液體中的分散體系，其中氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，泡沫的不穩(wěn)定性在于體系具有較大的界面面積和 較高的表面能，所以體系具有減少界面面積使其能量降到最低的自發(fā)趨勢。純液體是不能形成氣泡的，除非有表面活性物質(zhì)存在。能夠起泡的表面活性物質(zhì)主要有三 類 : 表面活性劑、高分子聚合物和固體顆粒，本文就表面活性劑來進行研究。關(guān)鍵詞 : 泡沫，起泡性 , 穩(wěn)定性，表面活性劑引言：山液體薄膜或固體薄膜隔離開的氣泡聚集體稱為泡沫。啤酒、香檳、肥皂水、皂角或水溶液等在

2、攪拌下形成的泡沫稱為液體泡沫; 面包、蛋糕、山藥汁等 彈性大的物質(zhì)，以及餅干、泡沫水泥、泡沫塑料、泡沫玻璃等為固體泡沫。在液體泡沫中，液體和氣體的界面起著重要作用。山液體和氣體形成的泡沫稱為兩相泡沫, 當(dāng)其中有固體粉末時，例如在選礦時形成的泡沫稱為多相泡沫。因此, 起泡現(xiàn)象與化 學(xué)工業(yè)的各種過程及日常生活密切相關(guān)。根據(jù)吉布斯吸附公式，在形成泡沫過程中 , 溶液中的表面活性劑吸附在氣- 液界面上。在液體泡沫中，液體和氣體的界面起著重 要作用。在液體泡沫中各氣泡相交外形成所謂拉普拉斯交界，如圖一的 P 點處。根 據(jù)拉普拉斯公式 （ Ap二2r/R）,溶液中P點的壓力小于A點，故液體自發(fā)地從 A向P

3、處 流動，于是液膜逐漸變薄，此過程稱為泡沫排液過程，當(dāng)液膜變薄到一定程度, 便導(dǎo)致 液膜破裂，泡沫破壞。圖一泡沫交界.表面活性劑的起泡力和泡襪穩(wěn)定性起泡力。若將丁醇稀水溶液和皂角昔稀溶液分別置于試管并加以搖動，發(fā)現(xiàn)前者形成大量泡沫，后者形成少量泡沫，但丁醇水溶液泡沫很快消失，而皂角昔水溶液泡沫不易消失。因此不能簡單地講哪種溶液起泡力好，因為起泡和泡沫穩(wěn)定兩者的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。由丁醇水溶液形成的穩(wěn)定性小的泡沫，稱為不穩(wěn)定泡沫；由皂角昔水溶液形成的壽命長的泡沫，稱為穩(wěn)定泡沫。起泡力的大小是以在一定條件下，搖動或攪拌時產(chǎn)生的泡沫多少來評定的。一些陰離子表面活性劑 , 如脂肪酸鈉、烷基苯磺酸鈉、烷基硫酸

4、鈉等均具有良好的起泡能力，它們都是良好的起泡劑（發(fā)泡 劑）。表 1列出了一些表面活性劑的起泡力。表 1. 一些表面活性劑的起泡力（質(zhì)量分數(shù)為 0. 1%, 30 C ）質(zhì)M分數(shù)為0. 25%。溫度為35 C質(zhì)M分數(shù)為0. 5%o山表可見，陰離子表面活性劑起泡力最大，聚氧乙烯0迷型非離子表面活性劑次之，脂肪酸酯型非離子表面活性劑起泡力最小。因此，肥皂、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉等陰離子表面活性劑適宜用作起泡劑。表面活性劑的類型是決定起泡 力的主要因素，而環(huán)境條件也很重要。例如，溫度、水的硬度、溶液的 pH 值和添加 劑等對起泡力都有很大的影響。溫度對非離子表面活性劑起泡力的影響不同于陰離子

5、表面活性劑。例如，對聚氧乙烯瞪型非離子表面活性劑來說，溫度低于濁點時起泡 力大，達到濁點時發(fā)生轉(zhuǎn)折, 高于濁點起泡力急劇下降。陰離子表面活性劑對溫度敬 感性不大，相反，有的隨溫度升高起泡力增大。2.泡沫穩(wěn)定性泡沫穩(wěn)定性是指生成的泡沫存在時間的長短，即泡沫的持久性或存在的壽命，也可以理解為泡沫破滅的難易程度。下面根據(jù)起泡力和泡沫穩(wěn)定性 的涵義來討論泡沫穩(wěn)定的機理。首先考慮不穩(wěn)定泡沫。圖二為在丁醇水溶液中以一定速率通入空氣，所形成的泡沫高度h 圖二 . 丁醇水溶液泡沫與溶液濃度C 的關(guān)系 曲線。從圖中可看出，當(dāng)丁醇的濃度為零或飽和時，起泡不良，而在兩者之間的區(qū)域內(nèi)起泡良好，但泡沫極不穩(wěn)定。這表明，

6、泡沫是熱力學(xué)上不穩(wěn)定體系 , 之所以不穩(wěn)定是山于泡沫生成后體系的總表面積 增大，能量增高 , 它自發(fā)地向能量降低、總表面積減小的方向進行，即發(fā)生泡沫破滅。泡沫的破滅主要是由于氣體通過膜進行擴散、液膜中的液體受重力作用及膜中 各點的壓力不同而導(dǎo)致流動（排液）引起的。在形成的泡沫中 , 氣泡的大小通常是不 均勻的，根據(jù)拉普拉斯關(guān)系式，小氣泡中的壓力大于大氣泡中的壓力，故小氣泡中的氣體有自動擴散至大氣泡的傾向，于是小氣泡逐漸變小，而大氣泡逐漸變大，最終泡沫消失。由于重力的作用，液膜中的液體自動地向下流動。在液膜排液過程中流下 的液體分子較容器底部的液體分子有較大的自山能，自發(fā)過程是向自山能減小的方

7、向進行，所以氣泡不斷地排液使膜壁變薄而破裂，從而導(dǎo)致泡沫消失。2.表面活性劑對泡沫穩(wěn)定的影響和作用。 TOC o 1-5 h z 1.表面黏度實驗和理論表明，決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是液膜的強度，而表面膜上表面活性劑分子的存在，使表面黏度增高，阻礙膜上液體流動排出，從而使泡沫穩(wěn)定。使表面黏度增高的物質(zhì)很多。表2 列出了三種表面活性劑水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系。表2. 一些表面活性劑水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性 的關(guān)系從表中數(shù)據(jù)可看出，表面活性劑水溶液的表面黏度越大，山其生成的泡沫的壽命也越長。表中所列十二烷基硫酸鈉為含相當(dāng)量十二醇的非純品。若將十二烷基硫酸鈉用石油日迷或乙日迷進行提純處

8、理后再做起泡實驗,發(fā)現(xiàn)溶液的表面黏度顯著降低,與此相應(yīng)，泡沫的壽命大大縮短。若在純十二烷基硫酸鈉溶液中分別加入不同量十 二醇做同樣的起泡實驗，含不同量十二醇的十二烷基硫酸鈉溶液的表面黏度各不相同，所生成的泡沫的壽命增長情況也不同，隨表面黏度增高，泡沫穩(wěn)定性增大（見表3）o表 3.十二醇對十二烷基硫酸鈉水溶液的表面黏度與泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系通過增大液膜吸附表面活性劑分子，使液膜強度增高，泡沫的穩(wěn)定性增大。例如，在十二烷基硫酸鈉水溶液中加入少量十二醇或月桂酰異丙醇胺后 , 泡沫的液膜上 構(gòu)成密度較大的混合吸附分子膜，混合膜中分子間的作用較強。這是因為在加入十 二醇或月桂酰異丙醇胺之前，表面上吸附的表面

9、活性劑分子的直鏈烷基山于極性基帶有負電荷而產(chǎn)生排斥不能靠近; 加入之后，由于十二烷的插入，表面上烷基的總數(shù)增多，密度增大 ; 一般疏水基中支鏈較多的表面活性劑 , 其分子間的作用力較直鏈?zhǔn)杷砻婊钚詣┓肿尤?，故泡沫穩(wěn)定性差。例如，不飽和烯桂經(jīng)硫酸化后制得的烷基硫酸鹽帶有兩條烷鏈，其水溶液生成的泡沫遠不及正烷基硫酸鹽生成的泡沫穩(wěn)定。陰離子和陽離子復(fù)配型表面活性劑復(fù)配使用時，正、負離子間的作用很強，表面強度變得很大，山這種復(fù)配表面活性劑水溶液主成的泡沫，其穩(wěn)定性極高。下面以一實例來說明：分別山濃度為 0. 0075mol/L 的辛基硫酸鈉和辛基三甲基澳化鞍溶液生成的氣泡，在25C下它們的專命相應(yīng)

10、為19s和18s;而濃度分別為0. 0075mol/L的辛基硫酸 鈉和辛基三中基澳化鍍?nèi)芤喊?:1比例混合形成的混合表面活性劑溶液所生成的氣泡，在25C下長達26 100s尚未破裂,盡管此時氣泡中的氣體已全部擴散到泡外，氣 泡仍未消失。山此可見，陰離子表面活性劑和陽離子表面活性劑在表面膜上相互作用非常強烈，氣泡極為穩(wěn)定。2.適當(dāng)濃度的表面活性劑能使泡沫具有抗沖擊性, 保證泡沫的穩(wěn)定性。當(dāng)泡 沫的局部液膜受到?jīng)_擊時會變薄，同時液膜表面積增大, 吸附于其上的表面活性劑分子的密度發(fā)生急劇變化，表面變薄處的密度減小 , 未受沖擊處與受沖擊的連接處密度增大。表面活性劑密度大處的分子會向密度小處移動并帶去

11、一部分液體，最終使吸附的表面活性劑的分子密度復(fù)原，液膜厚度復(fù)原，液膜強度亦復(fù)原，這時泡沫表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。表面活性劑溶液的濃度適當(dāng)（低于臨界膠束濃度）時 , 泡沫的穩(wěn)定性 較高 ; 表面活性劑溶液的濃度過高（超過臨界膠束濃度）時，表面吸附表面活性劑分子的速率較快，快速達到新的平衡狀態(tài)，因此，泡沫的穩(wěn)定性往往較低。一般低級醇水溶液的泡沫穩(wěn)定性不高，這與醇分子自溶液中吸附于表面的速率快有關(guān)。3.表面活性劑的混合體系對泡沫穩(wěn)定性的影響。表面活性劑分子在液膜上吸附的數(shù)量和排列的緊密程度與氣泡中氣體擴散透過液膜的速率密切相關(guān)。氣泡液膜的用度越小，黏度越低，表面吸附膜越松散不緊密，氣泡中的氣體越容易擴散

12、透過液膜，氣泡越不穩(wěn)定, 越容易消失; 反之 , 氣泡的液膜卑度越大，黏度越高，表面吸附膜越緊密，氣泡越穩(wěn)定，壽命越長。例如，在十二烷基硫酸鈉溶液中加入少量十二醇，表面吸附膜即會含有大M十二醇分子，使吸附膜中分子間力加強，分子排得更為緊密, 體透過性降低，較山十二烷基硫酸鈉溶液生成的泡沫的穩(wěn)定性高得多。2. 4.液膜電荷如果泡沫的液膜帶有電性相同的電荷，液膜的兩液面相互排斥， 能防止液膜變薄而破裂。以離子表面活性劑作為起泡劑，溶液中的表面活性劑分子 富集于表面。如用十二烷基硫酸鈉作為起泡劑，當(dāng)生成泡沫時 , 泡沫液膜的兩表面吸 附一層十二烷基硫酸基，而反離子 (N&+) 則分散于液膜的內(nèi)部，液

13、膜的兩表面構(gòu)成了 表面雙電層。當(dāng)液膜變薄時，兩表面電層的排斥力增強，防止液膜進一步變薄。溶液 中表面活性劑濃度過高，雙電層的擴散層會被反電荷離子所壓縮，電位降低, 液膜兩 表面的排斥作用減弱，液膜厚度變小，泡沫穩(wěn)定性變差。上述四種作用對泡沫的穩(wěn)定性均有影響，而其中以表面活性劑分子 ( 離子 ) 在液 膜上排列的緊密程度對液膜的強度起主要作用，表面活性劑分子 ( 離子 ) 在液膜上吸 附得越強烈 , 排列得越緊密，液膜的強度越高。此外，液膜上表面活性劑分子 ( 離子 ) 排列得緊密還能使表面層下面鄰近的溶液層中的液體不易流走，使液膜排液相對較 困難，液膜不易變薄，使泡沫的穩(wěn)定性增高。因此，為獲得

14、穩(wěn)定性高的泡沫，或破壞不 需要的無益泡沫 , 應(yīng)首先考慮構(gòu)成表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，分析它是否在液膜上有利于形成 LI 的表面膜。參考文獻：1?劉興允.起泡和消泡技術(shù)J.江蘇化工.市場七日訊，1982, (02)21.朱瑤，趙國璽，黃建濱等.表面活性劑溶液起泡性研究II.正負離子表面活性劑混合體系 J. 精細化工， 1994,(03).張先亮，陳新蘭 , 唐紅定 . 精細化學(xué)品化學(xué)第二版. 武漢大學(xué)出版社, 1999, 129-171.劉程，米裕民主編 . 表面活性劑性質(zhì)理論與應(yīng)用 . 北京大學(xué)工業(yè)出版社，2003.張驊 . 表面活性劑化學(xué) . 浙江大學(xué)出版社. 1996.潘恒國，肖安民，華西苑. 表面活性劑混合體系相互