泡沫穩(wěn)定性的測量

1、實驗四 泡沫穩(wěn)定性的測量實驗?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)定性實驗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法進

2、行介紹 .1.氣流法：氣流法的裝置為一帶刻度的、底部裝有毛細管的圓柱形石英管.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。試驗時，以恒定的速度向容器內(nèi)緩慢通氣一段時間后 ,立即測量停止通氣時 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 所需的時間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 ,并由于氣體流動的剪切力使之與膜表面分離。此法 的優(yōu)點是泡沫的粒徑分布在一個較窄的區(qū)域內(nèi)，并隨膜孔直徑的變化而變化。氣流法儀器

3、簡單，重復(fù)性良好，是目前比較常用的泡沫性能評價方法之一。但如果刻度量筒直徑過小時（小于 3cm），會存在壁效應(yīng)，對測試結(jié)果產(chǎn)生一定 的誤差。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，開動攪拌器，轉(zhuǎn)速4000-13000r/min,攪動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攪拌法:在相同的條件下，攪動量筒中的試液產(chǎn)生泡沫，以停止攪拌時的泡沫體積表示起泡性，以泡沫體積隨時間的變化計算泡沫壽命：V為時間t時的泡沫體積

4、，V0是泡沫層最大體積。i揮i1flf *=3r-r-n丿攪拌法測定泡沫的穩(wěn)定性泡沫性能v-t曲線可由vt曲線求得，量出vt曲線下的積分量，即為泡沫體積對時間的積分 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 積為泡沫未排液時全部液體體積的一半所需的時間。它可用下法求出：設(shè)V0 :

5、泡沫中液體的體積(即發(fā)泡液體積)；Vt: t時間由泡沫排出的液體體積；V0- Vt :泡沫中為排除的液體體積，它隨時間增加而減小.瞬時排液速度為：-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)。在實驗過程中，從泡沫中排除的液體的體積隨著時間增加而增加。故可得Vt t曲線，利用化學動力學中測定反應(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.則此兩點上的瞬時排液速 度分別為：(dV/dt)2=K (V0Vt) n2.(d

6、V/dt) 1=K(V0-Vt) n1，二式取對數(shù)相減既得：lE(dV/dt)l-lE(d.V/dt)2nz 另外，瞬時排液速度通式取 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，主要有以下幾個方面。2.1泡膜性質(zhì)的影響2。1.1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

7、表面能狀態(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， 只有當表面膜有一定的強度、能形成多面體的泡沫時，低表面張力才有利于泡沫 的穩(wěn)定.圖1痕膜排擾機浬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?？梢哉J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， 排液速

8、率越小，泡沫的壽命越長。2.1。3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度，另一個是延緩了排液時間，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.2.1。4Gibbs表面彈性和 Marangoni效應(yīng)泡沫受到?jīng)_擊時，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張并 拖帶著相當量的表面下的溶液，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

9、泡膜擴散并使變薄 處的液膜的表面張力恢復(fù)到原來的大小，需要一定的時間，這就是Mara ngoni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-Marangoni 效應(yīng)也越顯著，泡沫的修復(fù)作用就越強。表面彈性有助于泡膜 厚度保持均勻 ,增加泡沫的穩(wěn)定性 .當表面活性劑濃度較高時(超過離子膠束濃度 時 )，溶液中的表面活性劑迅速擴散到表面 ,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。 V

10、aradraj 對多種表面活性劑表面張力動 力學測定的結(jié)果表明：表面張力降低速率大于1000mN/ (ms)時泡沫不穩(wěn)定；若在500mN/(ms)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)。 本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途 2。1.5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散速率的主要參數(shù)。 從這個角度講，憎水鏈越長， 則氣體擴散速率越慢， 泡沫越穩(wěn)定。 但擴散只是一個因素， 它在泡沫排液時可以 忽略，最終形成黑膜(Black Flim)時才對泡沫的

11、穩(wěn)定性起決定作用.2.1。6 液膜的表面電荷 (分離壓力)如果泡沫液膜帶有相同電荷， 液膜的兩個表面將互相排斥， 以防止液膜變薄 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,而在泡膜中形成擴散層。當膜厚度變得近于擴散層厚度時，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)定性順序為：LiDS VNaDSv C

12、sDS ? Mg(DS)2，說明CsDS和Mg(DS)2會緊密的排列在氣液界面上, 增大了表面膜的強度 ,從而能有效的增加泡沫的穩(wěn)定性。當然此效應(yīng)僅在液膜較 薄時才起明顯作用 .2。1.7 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以上組分。 表面活性劑之間復(fù)配后增強起 泡和穩(wěn)泡效果的報道較多 .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)進行了研究，結(jié)果表明二者之間有強烈的協(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

13、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2.2。1 泡沫質(zhì)量的影響泡沫質(zhì)量是指泡沫中氣體所占總體積的百分比 .Minssieux 認為泡沫質(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理不同而異。 以排液為主 要衰變機理的泡沫，其穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量的增加而增加;以氣體擴散為主要衰變機理的泡沫，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 散速率 ,泡沫變得不穩(wěn)定。2.2。2 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

14、：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間，研究發(fā)現(xiàn):壓力與泡沫排液時間呈直線關(guān)系 .這是因為泡沫質(zhì)量一定時，壓力越大，泡沫的半徑越小，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。2。2。3 氣體的溶解度和滲透率Sharorarnikov等注意到，氣體擴散使泡沫破滅的速度，與氣體在液相中的溶 解度和擴散系數(shù)之乘積成正比。Schwarz在研究泡沫中小泡消失和大泡長大

15、現(xiàn)象 時發(fā)現(xiàn)：當除去泡沫中大部分空氣， 而氣泡中主要含水蒸氣時大泡的長大要快得 多；若完全排除空氣， 此過程快的難以產(chǎn)生泡沫。 這是因為氣體在液相中溶解度 和擴散系數(shù)越大，從小泡向大泡的擴散就越快，從而加速了泡沫的衰變過程。2。 2。 3 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,泡沫排液使泡膜達到一定的厚度時，就呈現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，其衰變機理主要是氣 體擴散；高溫下， 泡沫破滅由泡沫頂端開始， 泡沫體積隨時間增長而有規(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，

16、多數(shù)泡沫在 高溫下是不穩(wěn)定的。2。2。4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溶液泡沫性能的影響，對pH=5。0和pH=6。8時 的測試結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明當 pH=5.0時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，電子天平，秒表,500ml容量瓶， 配置0.

17、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 MgSO47H2O,加 0.132g CaC22H2O，再加蒸餾水使溶液的體積恰為1000mL,所得即為150ppm硬 水） 四實驗步驟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40C；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

18、通路。待A管下端的泡沫與溶液的分界液面清晰可見， 開始計時，以后每隔0°30mL計一次時，共計810次，其體積即為t時間由泡液排出的液體體積 Vt0五實驗數(shù)據(jù)及處理列表：體積/mL0.30.60.91.21o 51o 82.12.4時間/S0o 6721366194130280數(shù)據(jù)處理：Vo=5o 00mL，有圖可得曲線方程為：V=At2+Bt+C 即 V= 4。24098XI0A 5t2+0.01876t+0o 45444則 dV/dt=-8.48196 X0A-5t+0。 01876當 ti=21s 時,dV/dt=0 o 01698, Vt 1= 0.90ml當 t2=94s 時，dV