表面活性剂的泡沫性能包括起泡性和泡沫稳定性｡泡沫是以气体为非连续相,液体为连续相的分散体系｡表面活性剂溶液在受到搅动等作用使气体混入其中时会产生大量的泡沫｡泡沫与许多重要的实际应用有关｡在一些情况下要求形成稳定的泡沫,例如消防上的泡沫灭火,石油开采的泡沫驱油,矿业的泡沫浮选,化学工业的泡沫塑料生产等｡有时又希望不起泡,例如在许多工业部门中都占重要地位的乳剂生产和涂布成膜工艺中,表面活性剂被用作润湿剂､铺展剂､分散剂､乳化剂等,起泡会严重影响产品质量或降低设备利用率｡所以,研究表面活性剂的泡沫性能具有很大的理论价值和应用价值｡
PEP型嵌段共聚醚是自行合成的一种新型的非离子表面活性剂,它是以PEG+KOH为引发体系,加入少量冠醚,使PO开环聚合,接到PEG的两端形成PEP型聚醚｡其结构是(PPO)-(PEO)-(PPO),亲水剂在内,疏水基在外,其起泡性和泡沫稳定性较低,在不同系列的合成物质中,随着分子量的增大,水溶性会减小,界面张力降低｡十二烷基苯磺酸钠(DBS)､十二烷基硫酸钠(SDS)是常见的阴离子型表面活性剂,他们都有较好的泡沫性能｡实际应用的表面活性剂溶液多是两种以上表面活性剂和其它添加剂(例如电解质､极性有机物)等多种成分的复配体系,实践证明,合适的复配体系性能远较单一表面活性剂溶液优越｡对二元表面活性剂的复配规律研究较多,例如PEP复配体系的降低表面张力性能的研究｡本文以PEP型嵌段共聚醚,分别与十二烷基苯磺酸钠(DBS)､十二烷基硫酸钠(SDS)组成复配体系,讨论其复配体系的起泡性和泡沫稳定性｡
1 实验部分
1.1 试剂
PEP200:M=780,含PPO74.4%;PEP400:M=980,含PPO59.2%;PEP600:M=1180,PPO含量49.2%｡以上PEP皆本实验室合成｡十二烷基苯磺酸钠(DBS):化学纯,上海试剂一厂;十二烷基硫酸钠(SDS):进口分装｡
1.2 仪器与方法
用罗氏泡沫仪测量被测溶液的泡沫性能,温度(50±0.1)℃
2 结果与讨论
由于实际中的起泡作用复杂多样,它的影响因素多而且不易控制,迄今还没有一个统一的普遍运用的检测方法｡已有方法按成泡方式可分为两大类,即气流法和搅动法｡搅动法又可分为两种,一种是用机械方法搅打试液使之起泡,另一种是以一部分试样以固定的方式注入另一部分试样中以形成泡沫,测定泡沫高度及其衰减速度来表征溶液的起泡性和稳泡性｡著名的Ross-Miles方法即是倾注法之一种｡本次实验采用的是Ross-Miles方法｡
用起始泡沫高度h0表征起泡性,用5min时的泡沫高度h1占起始泡沫高度h0的百分比表示稳泡性A｡即
A=(h1/h0)×100%
2.1配比对起泡性的影响
固定总浓度为0.1%,改变配比研究其对起泡性的影响｡
由图1､5可以看出,在PEP分别与DBS,SDS的复配体系中,随着PEP所占比例的逐渐减少,起泡性逐渐增大,达到1∶1(DBS或SDS达50%)后,进一步减小PEP的比例,则曲线变化趋势平缓｡其中PEP比例较大时在配比相同的情况下,PEP600所在的复配体系的起泡性比PEP400和PEP200所在的复配体系的起泡性大,这说明PEP600在复配体系中起泡作用上比PEP200和PEP400明显,这可能与PEP的分子量及PEP分子中PPO的含量有关,PEP600具有较大的分子量及较低的PPO含量,这可能更有利于泡沫的形成｡另外在PEP比例较小时,即达稳定值以后,三条曲线相差不大,这是因为在这些溶液中,起泡性主要取决于离子型表面活性剂｡
2.2 配比对稳泡性的影响
固定总浓度为0.1%,改变配比研究其对稳泡性的影响｡
由图2､6可以看出,在PEP分别与DBS,SDS的复配体系中,随着PEP所占比例的逐渐减少,稳泡性逐渐增大,在配比为1∶1(DBS或SDS达50%)时趋于稳定｡
影响泡沫稳定性的因素很多也很复杂,主要有:
①表面张力及其自修复作用｡从能量角度考虑,降低液体表面张力,有利于泡沫的形成,而且在泡沫的液膜受到冲击而局部变薄时,有使液膜厚度复原､使液膜强度恢复的作用,这种作用称为表面张力的自修复作用｡此作用也是使泡沫具有良好稳定性的原因｡
②表面粘度｡决定泡沫稳定性的关键因素是液膜的强度,而液膜的强度主要取决于表面吸附膜的坚固性｡表面吸附膜的坚固性通常以表面粘度来衡量｡表面粘度越高,泡沫寿命越长｡表面粘度大,使液膜不易受破坏,这里有双重因素,一是表面粘度大,使液膜表面强度增加;二是使邻近液膜的排液受阻,延缓了液膜破裂时间,因而增加了泡沫的稳定性｡
③气体的透过性｡气体的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,则泡沫越稳定｡
④表面电荷｡如果泡沫液膜带有相同的电荷,液膜的两个表面将相互排斥｡因此,电荷有防止液膜变薄,增加泡沫稳定性的作用｡离子型表面活性剂作为起泡剂时,由于表面吸附的结果,表面活性剂离子将富集于表面,形成带负电荷的表面层;反离子则分散于液膜溶液中,形成液膜双电层｡当液膜变薄至一定程度时,两个表面层的静电斥力开始显著作用,防止了液膜进一步变薄｡
在本文的复配体系中,PEP为亲水基在中间,疏水基在两端的非离子表面活性剂,其起泡性､稳泡性均较低,而离子型表面活性剂则有较高的起泡性和泡沫稳定性,从实验结果来看,两者并无协同效应,离子表面活性剂DBS､SDS是影响泡沫稳定性的主要因素｡可以认为,随着离子型表面活性剂浓度增加,其表面吸附分子排列的紧密和牢固程度增加,使表面粘度､表面电荷增加,表面膜的强度增加,气体的透过下降,同时,表面张力下降,表面膜自修复作用增加,这些都使泡沫稳定性增加｡
2.3 浓度对起泡性的影响
固定PEP与DBS､SDS的配比为1∶1,改变总浓度,研究其对起泡性的影响｡
由图3､7可以看出,,随着浓度的逐渐增大,复配体系的起泡性随着增大,即使在CMC值以上,随着浓度的进一步增大,起泡性也随着增大｡这可能是因为虽然起泡性是表面活性剂的表面性能,与溶液表面饱和吸附区有关,但稳泡性却与液相性质有关,实际上在起泡时就存在起泡与破泡的平衡｡在达到混合表面活性剂的临界胶束浓度CMC值后,溶液中的胶束开始形成,使溶液的结构与性质改变,破泡速度下降,起始泡沫高度因而进一步增大｡
2.4 浓度对稳泡性的影响
固定PEP与DBS､SDS的配比为1∶1,改变总浓度,研究其对稳泡性的影响｡
由图4､8可以看出,随着浓度的逐渐增大,复配体系的稳泡性也随着增大,纯的DBS,SDS的稳泡性也随着浓度的增大而增大,在0.03%时趋于稳定｡另外,在低浓度时,复配体系的稳泡性明显比纯的离子型表面活性剂的稳泡性大,而在高浓度时则纯的离子型表面活性剂的稳泡性稍大或趋于一致,浓度-起泡性关系也有类似情况,这可能与表面活性剂的结构有关,PEP的分子量较大,且亲水基在中间,疏水基在两端,在泡沫表面上平铺,这样在低浓度时,相对离子型表面活性剂更易形成稳定泡沫｡而在高浓度时,纯的离子型表面活性剂更易形成紧密排列的双分层膜,所以,有更高的稳泡性｡
3 结论
①在总浓度为0.1%的各复配体系中,随着PEP所占比例的逐渐减少,起泡性和稳泡性均逐渐增大,在配比为1∶1后,再减少PEP比例,起泡性和稳泡性均趋于稳定｡
②配比为1∶1的PEP-DBS､PEP-SDS复配体系中,随着总浓度的增大,复配体系的起泡性随着增大｡
③配比为1∶1的PEP-DBS､PEP-SDS复配体系中,随着总浓度的增大,复配体系的稳泡性也随着增大｡与纯的DBS､SDS的稳泡性曲线比较,低浓度时,复配体系的稳泡性大于纯离子型表面活性剂,而高浓度时,则纯离子型表面活性剂的稳泡性稍大于或等同于复配体系｡
