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1、第三章 表面活性剂的起泡和消泡,一 泡沫的形成,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。,二 泡沫的性质,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
2、入少量的表面活性剂并充气即可得到稳定的泡沫。,三 泡沫形成条件,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,四 泡沫的破坏机制,表面张力排液,B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
3、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,五 表面活性剂的泡沫性能,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=A E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
4、羧酸盐 硫酸盐 磺酸盐 琥珀酸单酯磺酸钠,常用起泡剂,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。,(2) 表面活性剂的稳泡性,（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,六 影响泡沫稳定性的因素,（1）表面张力,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
5、。 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。,（2）表面张力的自修复作用,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
6、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,(3) 气体的透过性,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。,（4） 界面膜的性质,稳定作用顺序： - N
7、-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
8、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。,（5）表面电荷,表面活性剂的疏水基 亲水基 表面活性剂的浓度,（6）表面活性剂的分子结构,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
9、，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。, 疏水基,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。, 表面活性剂的亲水基,当表面活性
10、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。,表面活性剂浓度的影响,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。,（7） 其他影响泡沫稳定性的因素,泡沫的消除 (1) 物理法：温度（液体蒸发或冻结）、急剧改变压力、离心分离、超声
11、波振动及过滤。 (2) 化学法：消泡剂 消泡剂：加入少量物质能使泡沫很快消失的物质。,七 消泡,降低泡沫膜局部表面张力 破坏膜的弹性 降低液膜的粘度 疏水固体颗粒的消泡作用,八 消泡机理,消泡剂的泡沫液膜的，最后破裂、泡沫消除 消泡剂浸入气泡，顶替了液膜表面的稳泡剂。,（1）降低泡沫膜局部表面张力,加入极低的消泡剂（聚氧乙烯聚硅氧烷等），使膜失去弹性，液膜最终因失去自修复作用而破坏。,（2）破坏膜的弹性,泡沫液膜的表面粘度高有利于延长泡沫的寿命。 增加液膜强度、减缓液膜排液速度、降低液膜的透气性，阻止泡内气体的扩散等。 能产生氢键的稳泡剂能提高液膜的粘度。,（3） 降低液膜黏度使泡沫寿命缩短,
12、疏水的固体颗粒（如二氧化硅）的作用是： 将原来吸附于液膜表面的表面活性剂从液膜表面上拉下来进入液膜的水相，使液膜表面上的表面活性剂浓度下降。 增加了泡沫的不稳定因素： 降低了液膜的表面粘度，致使液膜自修复能力变小，液膜透气性增加，加速了液膜的排液速度和气体扩散速度。,（4）疏水固体的消泡作用,消泡剂应该具备的性能： 能与泡沫表面接触的亲和能力； 能在泡沫上扩散和进入泡沫，并取代泡沫膜壁的性能； 不溶于介质中； 能在泡沫介质中分散的适宜颗粒作为消泡核心。,九 消泡剂,（1）天然油脂和矿物油 主要成分脂肪酸及其酯、高级醇及其酯 天然油脂： 植物油：棉籽油、蓖麻油、油酸、椰子油、猪油、牛油和羊油等
13、蜡：棕榈蜡、蜂蜡、鲸蜡等 （2）固体颗粒 比表面积大，疏水性 SiO2、膨润土、硅藻土、脂肪酰胺和重金属皂等。 （3）表面活性剂 非离子表面活性剂 （4）有机硅消泡剂,十 消泡剂类型, 多元醇脂肪酸酯 乙二醇单硬脂酸酯 甘油单硬脂酸酯 聚醚型 聚氧乙烯醚 聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物 脂肪醇聚氧丙烯聚氧乙烯醚 甘油聚氧乙烯聚氧丙烯醚脂肪酸酯 含氧聚氧丙烯聚氧乙烯醚,非离子表面活性剂,泡沫的定义及产生 泡沫破坏的机制 表面张力的自修复作用 在影响泡沫稳定的因素中，哪个因素是最重要的？ 为什么非离子表面活性剂不能作为稳泡剂？ 消泡剂的消泡机理？,作业题,表面活性剂作用下气泡产生的原因及表面活性剂的作用机理。 查阅文献论述起泡和消泡各有那些现实意义？,思考题,