第3章表面活性剂的功能与应用起泡和消泡作用

泡沫是指 气体分散 在液体中的一种分散体系。气体是分散相，液体是分散介质。 泡沫有两种类型：(1) 稀泡沫气体分子以小的球形均匀分布在较粘稠的液体中。气泡周围的液膜较厚，且彼此之间相距较远。每个单独存在的气泡都呈圆球形。(2) 浓泡沫（ 多面体泡沫）气体占的体积分数远大于液体，液体的黏度较小，气泡很容易上升到液体表面，泡沫相互聚集，气泡之间被很薄的液膜隔开，形成一个网状结构。在表面张力和重力的共同影响下，气泡之间的隔膜变薄，而气泡的形状大小各异。 气 /液接触（气体是分散相，液体是分散介质，连续相） 发泡速度高于破泡速度在水中加入少量的表面活性剂并充气即可得到稳定的泡沫。 泡沫是气体分散在液体中粗分散体系，热力学不稳定状态，泡沫会自动破坏。（ 1） 泡沫液膜的排液 -机制 1 液膜看作毛细管，液体从膜中排出的速度 膜厚 4，随着排液的进行，液膜厚度减少，排液速度急剧减慢。排液的主要原因： 重力排液 存在密度差，液膜在重力作用下向下排液使液膜减薄，重力排液仅在液膜较厚时起主要作用。 表面张力排液表面张力排液lB处液体压力 A处，液体会从 B处向 A处排，使气泡间膜变薄而破裂；膜的夹角是 120时， A和 B之间的压差最小，因此，多边形泡沫结构中多是六边形的。Plateau边界Laplace 公式 当液膜不破裂时，泡沫还会因气体的扩散而破坏。 小气泡内的压力 大气泡内的压力，气泡通过液膜向大气泡排气。 小气泡变小、消失 。 液面上的气泡会通过液膜直接向大气排气。 气泡破灭 。气泡内气体的扩散 -机制二Laplace 公式 起泡性 泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少。 稳泡性 生成泡沫的持久性、消泡的难易，即泡沫的寿命起泡力的表征： 表面活性剂降低水的表面张力的能力，降低表面张力的能力越强 , 起泡力越强。加压通气或搅拌等方式对体系做功：W外 =E=AE 泡沫 产 生前后体系的能量差W外 一定， 越低， A越大，起泡越容易。（ 1）表面活性剂的起泡力 阴离子表面活性剂羧酸盐硫酸盐磺酸盐琥珀酸单酯磺酸钠脂肪酸盐邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠烷基硫酸盐烷基硫酸乙醇胺盐脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠烷基磺酸盐烷基苯磺酸盐脂肪醇聚氧乙烯醚单琥珀酰胺磺酸二钠脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯铵盐磺酸钠N-脂肪酰基乙醇胺琥珀酸单酯磺酸二钠脂肪酰胺琥珀酸单酯磺酸二钠 稳泡性：泡沫的持久性或泡沫寿命的长短，这与液膜的性质密切相关。（ 1）表面张力（ 2）表面张力的自修复作用（ 3）气体的透过性（ 4）界面膜的性质 表面黏度 界面膜的弹性（ 5）表面电荷（ 6）表面活性剂的分子结构（ 7）其他 降低液体的表面张力，有利于生成泡沫。 在当界面膜有一定的强度，能形成多面体泡沫时，低表面张力有助于泡沫的稳定。 不是泡沫 稳 定的决定因素。 丁醇水溶液的 表面活性 剂 水溶液的 表面张力的修复作用：在泡沫受到外力冲击时，有使液膜厚度和强度恢复的作用。 Gibbs弹性。 外界冲击 (震动、尘埃碰撞、气流冲击）及液膜受重力排液时，液膜局部变薄、面积增大、表面吸附分子浓度降低，表面张力增大； 局部表面张力梯度的形成。对于泡沫的稳定性来说，表面活性剂使液膜具有 Gibbs弹性与自修复作用比降低表面张力更重要。 表面活性剂向变形处迁移的方式： 自低表面张力区迁移之高表面张力区。 溶液中的表面活性剂分子吸附至表面，恢复表面分子的密度，使受到冲击的液膜表面张力恢复到原来值。虽然 恢复到原来 值 ，但液膜厚度不能恢复，泡沫稳 定性 较 差，如一般的醇 类 水溶液。 气体透过性与表面吸附膜的紧密程度有关。表面吸附分子排列越紧密，表面粘度越高，气体透过性越差，泡沫稳定性越好。如在十二烷基硫酸钠溶液中加入月桂醇 决定泡沫稳定性的关键因素是液膜的表面粘度和弹性。 表面粘度液膜的强度主要取决于表面吸附膜的坚固性，而坚固性通常用表面粘度来度量。表面粘度通常由表面活性分子在表面上所构成的单分子层产生。凡是表面粘度较高的体系，所形成泡沫的寿命也较长。如表面活性不高的蛋白质和明胶溶液。液体内部粘度的增加也有利于泡沫的稳定，但仅是辅助影响因素。稳定作用顺序：- N-极性取代酰胺 未取代酰胺 硫酰醚 甘油醚 伯醇- 带有 C10疏水基的烷基硫酸盐和烷基季铵盐泡沫寿命长- 蛋白质分子大，泡沫寿命长- 疏水基分支较多的表面活性剂所形成泡沫稳定性差。不饱和烯烃硫酸酯盐水溶液泡沫稳定性差；直链十二酸钾、十二烷基硫酸钠水溶液泡沫稳定性好。表面粘度并不是越高越好，还需要考虑界面膜弹性。- 十六醇形成的泡沫液膜表面粘度和强度都很高，但刚性强易破。 界面膜的弹性表面活性高、分子较大，扩散系数较小的物质较好。 当液膜为离子型表面活性剂所稳定时，液膜的两个面会吸附表面活性剂离子（如 C12H25SO4-）而形成两个带同号电荷的表面，反离子扩散分布在膜内溶液中，与表面形成两个扩散双电层。液膜较厚时，这两个双电层不发生作用。当液膜变薄到一定程度，两个双电层发生重叠，液膜两个表面相互排斥。排斥作用主要由双电层的电势和厚度决定。 （阻止排液减薄，提高泡沫稳定性） 无机电解质的加入对泡沫的稳定不利。 表面活性剂的疏水基 亲水基 表面活性剂的浓度 通常随疏水基碳链的增加，泡沫的界面膜有较大的机械强度和弹性，起泡力随之增加，但常会达到一个最高值后起泡力下降。 脂肪酸钠盐起泡剂： C12C14较好； C8和 C10形成的表面膜强度低，泡沫稳定性差； C16和 C18溶解度差，表面膜刚性强，稳定性差； 亲油基带有侧链或亲水基在其中间，泡沫稳定性差； 碳链长度相同，不饱和双键数目增加，起泡力显著下降。 烷基苯磺酸钠起泡剂C14具有最低的表面张力和最高的起泡力。随着碳原子数目增加，起泡力下降。烷基苯磺酸钠应用最广。十二烷基与磺酸钠处于苯环的对位起泡力最好；直链比支链的好。 亲水基的水化能力强对泡沫的稳定性有利。直链阴离子型：亲水基水化能力强，液膜表面带电，稳泡性能好。非离子型：亲水基聚氧乙烯醚在水中呈曲折型结构不能形成紧密排列的吸附膜，并且水化能力差，不能形成双电层，因此不能形成稳定的泡沫。 强的亲水基匹配合适的亲油基就是一个较好的起泡剂。 如十六烷基硫酸钠和十八烷基硫酸钠。 当表面活性剂浓度低于 cmc时，随其浓度的增加，减少， 发 泡力增 强 ，但泡沫的 稳 定性差； 当表面活性剂浓度超过 cmc时， 不再减少，甚至有 时还 会稍微增大，但活性 剂 分子在溶液表面富集，会形成越来越致密的表面膜，因此泡沫 稳 定性增加；但 浓 度增大到一定程度，泡沫含液量下降，脆性增加，泡沫不 稳 定。 其他因素包括：稳泡剂、固体颗粒、水的硬度和 pH值、压力、气泡大小分布以及温度等。 在影响泡沫稳定的因素中，液膜的强度是最重要的。 表面活性剂表面吸附分子排列的紧密性和牢固性是最重要的因素。 泡沫的消除(1) 物理法：温度（液体蒸发