泡沫是氣體分散于液體中的多相分散體系，氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。以水作為分散介質(zhì)的泡沫稱為水基泡沫。水基泡沫具有無(wú)毒、無(wú)污染、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、泡沫豐富、不燃爆、安全性高及使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用過(guò)程中有其獨(dú)到的安全性[1,2]。水基泡沫技術(shù)目前主要應(yīng)用在石油的二次和三次開(kāi)采、泡沫滅火、礦業(yè)泡沫浮選、疏松食品中的起泡和穩(wěn)泡、釀造工業(yè)、廢水處理、土壤凈化、洗滌和軍事遮蔽偽裝等方面。近年來(lái)，我國(guó)非常重視對(duì)泡沫的研究與應(yīng)用[3-6]，但當(dāng)前對(duì)水基泡沫的研究主要集中在提高泡沫的發(fā)泡能力、攜液能力及增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性上，對(duì)于超長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間的泡沫研究甚少。作者在研究泡沫穩(wěn)定機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了高穩(wěn)定性水基泡沫液的研究工作。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1．1原料
十二烷基硫酸鈉(SDS)、十六醇、十二醇、十二烷基氧化叔胺、果膠、明膠、羧甲基纖維素(CMC)、苯丙乳液、水玻璃，均為市售工業(yè)級(jí)。
1．2實(shí)驗(yàn)方法
配制好100 mL發(fā)泡液體，加入攪拌杯中，高速攪拌5 min后停止，再把泡沫移入到
1．3水基泡沫性能的評(píng)價(jià)方法
起泡力：將100 mL起泡液發(fā)出的泡沫倒入量筒中測(cè)量泡沫體積v，作為起泡液的起泡力。
穩(wěn)定性：記錄上述泡沫體積衰減一半所需的時(shí)間，稱為泡沫的半衰期(t1/2v)，以衡量泡沫的穩(wěn)定性。t1/2v越長(zhǎng)，表明泡沫液的穩(wěn)定性越好。
2結(jié)果與討論
2．1泡沫液配方的實(shí)驗(yàn)篩選
2．1．1發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的篩選
水基泡沫體系一般由水、起泡劑、穩(wěn)泡劑組成。起泡劑一般為表面活性劑，其作用是降低溶液的表面張力，使起泡變得容易，并吸附在氣泡外面的液膜表面上，形成較牢固的膜，以增加泡沫壽命。穩(wěn)泡劑的作用是提高表面液膜的黏度和彈性，增強(qiáng)表面膜的機(jī)械強(qiáng)度，延緩膜中液體排液速度，從而穩(wěn)定泡沫。大量研究資料表明，陰離子表面活性劑具有低的表面張力，有良好的起泡性能，其中SDS不僅發(fā)泡性好，而且價(jià)格便宜，來(lái)源豐富，因而選擇SDS作為發(fā)泡劑。常用的穩(wěn)泡劑有氧化胺和高級(jí)脂肪醇，其中SDS和高級(jí)脂肪醇配伍性較好[7]，泡沫穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，因而選擇代表性的十六醇和十二醇進(jìn)行研究比較。20℃下各種復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表l。
表1 SDS與脂肪醇的加量對(duì)泡沫性能的影響
Tab．1 Effect of amount of SDS and aliphatic alcohol on performaflce of foam
從表l可以看出，無(wú)論與哪種醇復(fù)配，SDS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)起泡能力影響都較大。隨著SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡能力達(dá)到最大后又降低。這是由于當(dāng)表面活性劑濃度小于臨界膠束濃度時(shí)，隨著濃度的增加，溶液的表面張力減小，發(fā)泡力增強(qiáng)；當(dāng)濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，溶液的表面張力不再減小，甚至?xí)晕⒃龃螅欢?dāng)濃度增加到一定程度時(shí)，形成的泡沫含液量減少，脆性增加，泡沫反而會(huì)變得不穩(wěn)定。SDS與脂肪醇復(fù)配后，泡沫的起泡力和穩(wěn)定性都很好。這是因?yàn)榧尤胫敬己螅挤肿颖旧淼奶細(xì)滏溨車?SPAN lang=EN-US>“冰山”結(jié)構(gòu)，醇分子參與表面活性劑膠團(tuán)形成的過(guò)程是容易自發(fā)進(jìn)行的自由能降低的過(guò)程，溶液中醇的存在就使膠團(tuán)容易形成，臨界膠束濃度降低，起泡力增加。脂肪醇的加入不僅可以減慢泡沫內(nèi)部的排液速度，還可以減慢靠近液膜的排液速度，從而增加泡沫的穩(wěn)定性。兩種醇中，十六醇與SDS的復(fù)配效果較十二醇好，在SDS 2．0％，十六醇1．5％的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，泡沫的穩(wěn)定性可達(dá)21 h以上。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，未加穩(wěn)泡劑時(shí)，起泡劑產(chǎn)生的泡沫表層松散，單個(gè)泡沫體積較大，較易破滅；加穩(wěn)泡劑后，泡沫表層致密，表面彈性增加，單個(gè)泡沫體積均勻細(xì)小，泡沫較難破滅，泡沫壽命顯著延長(zhǎng)。
2．1．2增黏劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定性的影響
由于氣、液相對(duì)密度和界面兩側(cè)的壓差，引起氣泡間的液體在壓力下總是不斷地被排出，液膜逐漸變薄而導(dǎo)致氣泡破滅。為增加泡沫的穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)增大氣泡間液體的體相黏度，以使泡膜內(nèi)液體既不易流失，減慢排液速度，又使氣體在液膜中的溶解度降‘低。可在發(fā)泡液中適當(dāng)加入能增加黏度的物質(zhì)，但發(fā)泡液黏度太大，又會(huì)影響發(fā)泡液的發(fā)泡性能。因此，合適的增黏劑及加入量尚需作進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)篩選。皂素、蛋白質(zhì)及其他類似物質(zhì)的分子間的羧基和羰基問(wèn)有形成氫鍵的能力，因而有很高的表面黏度，能形成很穩(wěn)定的泡沫。實(shí)驗(yàn)考察了果膠、明膠、CMC等作為增黏劑與SDS和十六醇進(jìn)行復(fù)配后對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CMC的加入對(duì)體系的穩(wěn)定性有很大的提高。為進(jìn)一步確定增黏劑在復(fù)配體系中的用量，在固定SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．0％，十六醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l．5％的情況下，改變CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在
表2 CMC的加量對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響
Tab．2 Effect of amount of CMC on foam stability
CMC是常用的增黏劑，其增黏機(jī)理是疏水主鏈與周圍水分子通過(guò)氫鍵締合，提高了聚合物本身的流體體積，減少了顆粒自由活動(dòng)的空問(wèn)，從而提高了體系黏度。由表2可以看出，泡沫的穩(wěn)定性開(kāi)始隨著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但當(dāng)CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2．O％，泡沫的穩(wěn)定性反而減小。主要原因是體系的黏度增大到一定程度后，空氣難于進(jìn)入液相內(nèi)部與表面活性劑充分接觸，使得發(fā)泡不充分和不均勻，泡沫大小不均，增加了已發(fā)泡沫的表面承受力，泡沫穩(wěn)定性降低。所以，CMC在水基泡沫液中的較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．0％。
2．1．3成膜劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定性和成型性的影響
加入CMC后，泡沫的t1/2v可提高到67 h，但新泡沫在輕微的外界力作用下很快就破裂，排液完的干泡沫也比較稀疏，容易變形。為了進(jìn)一步提高泡沫穩(wěn)定性，改善干泡沫的性能，考慮在基本發(fā)泡液中加入一些成膜物質(zhì)。因?yàn)橐合囵ざ葍H為輔助因素，若不形成表面膜，液相黏度再大，也不能形成穩(wěn)定的泡沫。起泡劑和泡沫穩(wěn)定劑在膜面的吸附密度與表面膜彈性密切相關(guān)，吸附于表面膜氣一液界面的表面活性劑分子之間相互作用力大，則表面黏度高，膜強(qiáng)度也高，如表面活性劑分子之間形成高強(qiáng)度的混合膜，則能使液膜表面黏度增高，從而使泡沫穩(wěn)定性大大提高[7]。
選擇的成膜劑有聚合物苯丙乳液和水玻璃，在
表3成膜劑對(duì)水基泡沫穩(wěn)定性和成膜性的影響
Tab．3 Effect of film forming agent on stability and film forming property of foam system
從表3可以看出，在復(fù)配基本發(fā)泡液SDS2．0％，十六醇1．5％，CMC 2．0％中加入水玻璃5．0％，苯丙乳液3．O％發(fā)得的新泡沫，V=2400 mL，t1/2v =96 h，泡沫性能明顯改善，成膜性好，抗外界力提高。乳液具有良好的水溶性，不僅能提高液相黏度，阻止液膜排液，同時(shí)還能形成強(qiáng)度高的膜。乳液成膜機(jī)理是隨著分散介質(zhì)揮發(fā)的同時(shí)產(chǎn)生高聚物粒子的接近、接觸、擠壓變形而聚集起來(lái)，最后由粒子狀態(tài)的聚集變成分子狀態(tài)的聚集而形成連續(xù)的膜。水玻璃的加入也可以增加乳液的成膜性和耐水性。因此它們有較好的穩(wěn)泡作用。圖l中a是泡沫新發(fā)出時(shí)的照片，b是泡沫存放96 h后的照片。
圖1 泡沫存放前后的照片
Fig．1 Photo of foam newly generated and maintained for 96 h
從圖l中a和b可以看出，新發(fā)出的泡沫發(fā)泡量大，定型好；泡沫放置96 h后仍具有良好的形狀。由此可以得到高穩(wěn)定性水基泡沫液的較佳復(fù)合配方為：W(SDS)=2．0％，W(十六醇)=1．5％，W(CMC)=2．0％，W(水玻璃)=5．0％，w(苯丙乳液)=3．0％。此條件下l00 mL泡沫液最大發(fā)泡倍數(shù)為24倍。
2．2溫度對(duì)復(fù)合泡沫液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性的，影響
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)成膜劑等助劑加入后，穩(wěn)定性明顯增加，但發(fā)泡液的發(fā)泡溫度對(duì)發(fā)泡能力有較大的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。
表4溫度對(duì)復(fù)合發(fā)泡液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性的影響
Tab．4 Effect of temperature on foaming power and foamstability of foam liquid
由表4可知，當(dāng)發(fā)泡溫度t<
3 結(jié)論
1)發(fā)泡劑SDS與十六醇復(fù)配具有較好的發(fā)泡性和穩(wěn)泡性，在水基泡沫液中適當(dāng)添加增黏劑羧甲基纖維素和成膜劑苯丙乳液等可明顯提高泡沫的穩(wěn)定性和成型性。發(fā)泡溫度對(duì)泡沫液的發(fā)泡能力有較大的影響，實(shí)驗(yàn)條件下泡沫液較佳發(fā)泡溫度為
2)高穩(wěn)定性水基泡沫液的較佳復(fù)合配方(w／％)為：SDS 2．0、十六醇l．5、CMC 2．0、水玻璃5．0、苯丙乳液3．0。
3)復(fù)配出的泡沫液，其最大發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到24倍，泡沫的穩(wěn)定性為t1/2v =96 h，泡沫表面細(xì)密，成型性好，有一定的耐水性，可抗輕微的外界力。
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