泡沫混凝土发泡剂的复配及改性研究

泡沫混凝土发泡剂的复配及改性研究
伍勇华;马平;陈畅;兰子君;杜伟良
【摘要】研究了十二烷基硫酸钠(SDS)与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、动物蛋白复配以及添加聚乙烯醇(PVA)进行改性对发泡剂发泡性能和稳泡性的影响,并通过表面张力和液相黏度测试分析其机理.结果表明,SDS发泡的最佳浓度为1.25％,远高于其临界胶束浓度.动物蛋白与SDS的复配效果优于SDBS与SDS的复配,其最佳掺量为0.3％.在SDS与动物蛋白复配体系中,添加0.002％～0.003％的PVA对稳泡性有明显改善.
【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2017(044)002
【总页数】4页(P130-133)
【关键词】泡沫混凝土;发泡剂;稳泡性;发泡性能
【作者】伍勇华;马平;陈畅;兰子君;杜伟良
【作者单位】西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055;西安建筑科技大学材料与矿资学院,陕西西安710055
【正文语种】中文
【中图分类】TU55+1.33
泡沫混凝土是一种重要的节能保温材料，影响泡沫混凝土性能的因素众多，其中发泡剂的影响尤为显著[1]。

目前国内外市场上的发泡剂种类主要有松香类发泡剂、合成类发泡剂、蛋白型发泡剂及复合型发泡剂，其性能也各不相同。

松香类发泡剂是使用较早的一种发泡剂，其生产工艺简单、成本低，但发泡倍数和泡沫稳定性较差；合成发泡剂以表面活性剂为主，添加各种助剂配制而成，其发泡能力较强，但泡沫稳定性较差；蛋白型发泡剂发泡能力强，且具有更高的稳定性，但相对成本也会更高一些；复合型发泡剂则是由2种或2种以上发泡剂复配而成的，可以发挥不同发泡剂的优点[2-3]。

阴离子表面活性剂具有产量大、取材方便、价格低廉等优点，并具备优异的发泡能力，但泡沫大小、稳定性较难控制[4-5]。

本文选择阴离子表面活性剂与多种组分进行复配，研究其复配机理及其对泡沫稳定性的影响规律。

1.1 实验原材料
十二烷基硫酸钠（SDS）：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；十二烷基苯磺酸钠（SDBS）：化学纯，天津市福晨化学试剂厂；动物蛋白：天津裕川置业集团有限公司；聚乙烯醇（PVA）：广西广维化工有限责任公司。

1.2 实验方法
将按一定浓度（质量浓度）配制好的溶液用增力电动搅拌器搅拌5min，使溶液充分发泡，按JG/T266—2011《泡沫混凝土》附录A测试发泡剂的发泡倍数、泡沫1h沉降距和1h泌水量。

发泡液的表面张力采用滴体积法[6]测试，发泡液的黏度采用上海力辰NDJ-1旋转黏度计进行测试。

2.1 SDS的发泡性能
泡沫中含有大量气泡，具有极大的气液界面，总表面能（E=σA）很高。

降低表面张力σ可以使总表面能E显著降低，使泡沫易于形成。

图1为SDS浓度对水溶液
表面张力的影响。

由图1可以看出，随着SDS浓度增大，水溶液表面张力迅速下降，当浓度超过
0.2%时，表面张力趋于稳定，即其临界胶束浓度在0.2%左右。

SDS是一种两极
构造的两亲分子，属于阴离子型表面活性剂，在很低的浓度下就可以显著地降低水溶液的表面张力，因而具有很强的发泡性。

SDS溶液的发泡性能试验结果见图2。

从图2可以看出，随着SDS浓度的增大，其发泡倍数呈现出先增大后减小的趋势，当浓度为1.25%时，发泡倍数达到最大。

对比图1和图2可知，达到发泡倍数最
大时的SDS浓度远远大于SDS的临界胶束浓度，这是由于测试液体的表面张力过程中，当SDS浓度小于临界胶束浓度时，SDS只在有限的液相表面形成单分子层吸附，其液相中的浓度非常低。

而在发泡性测试中，SDS在具有巨大表面积的泡
沫体系的液膜两侧均要形成单分子层吸附，此时SDS分子与形成液膜的液相之比（实际是表观浓度）要远大于SDS的临界胶束浓度。

由图2还可以看出，当SDS浓度超过1.25%后，发泡倍数会显著下降，即SDS
的浓度并非越高越好。

其原因与Marangoni效应有关[7]，根据膜弹性理论，当外力使液膜局部变薄拉伸时[如图3（a）所示]，该区域膜面积增加，表面活性剂分
子间距离增大，该区域表面张力σ1随之增大。

这样，变薄区域与未变薄区域的表面张力梯度（σ1－σ2）增大，促使未变薄区域的表面层分子及夹带的底层液体向
变薄区域流动，从而阻止了膜的进一步变薄。

但该效应只有在发泡剂浓度适中时才最为显著。

当发泡剂浓度过低时[如图3（b）所示]，由于未变薄区域本身表面活性剂分子间距离就较大，表面张力σ2也较大，因而σ1与σ2的差值较小，修复能力较弱，发泡力较小。

而当发泡剂浓度过高时[如图3（c）所示]，由于液相中有较多的表面活性剂分子可以迅速补充到变薄区域，变薄区域的表面张力变化不大，σ1与σ2的差值较小，同样修复能力较弱，
发泡力较小。

由此可见，发泡剂的发泡能力存在最佳浓度，并非浓度越高越好。

由
此理论也可推断出，SDS浓度为1.25%时，形成泡沫的液膜表面也并未达到完全紧密的单分子层排列，即未达到饱和吸附。

泡沫的性能好坏，除了发泡倍数外，还需要考虑泡沫的稳定性。

SDS浓度对泡沫稳定性（1 h沉降距和1 h泌水量）的影响见图4、图5。

从图4可以看出，当SDS浓度小于1.5%时，随掺量增大沉降距变化不大，但浓度为1.75%时，沉降距显著增大。

从图5可以看出，泌水量总体表现为先减小后增大的趋势，且在浓度为1.25%时泌水量最小。

综上可知，SDS具有很好的发泡性能，发泡倍数最高可达70倍以上，但泡沫稳定性较差，1 h后出现了明显的沉降和泌水。

2.2 发泡剂复配
2.2 .1 与SDBS发泡剂复配
SDBS也是一种两亲分子，本身就具有较好的发泡性，与SDS相比，其阴离子基团的电负性更高。

以浓度为1.25%SDS为母液，测试添加SDBS后复配发泡剂的发泡性能，结果见图6。

从图6可以看出，添加适量SDBS可增大发泡倍数，并减小沉降距和泌水量，掺量为0.3%时效果最佳，发泡倍数达到87倍，比空白样提高了16%，同时，沉降距降低了24%，泌水量降低了22%。

由前面的讨论可知，SDS浓度为1.25%时，形成泡沫的液膜表面并未达到完全紧密的单分子层排列，对应于表面张力而言，该浓度下表面张力并非最小。

因此，为了说明SDBS掺加后对泡沫体系液膜表面张力的影响，采用未达到临界胶束浓度的SDS溶液，测试添加SDBS对其表面张力的影响，才能正确分析其对发泡作用的影响机理。

为此，测试了浓度为0.1%的SDS溶液中，添加SDBS对表面张力σ和液相黏度η的影响，结果见图7、图8。

由图7、图8可知，在未达到临界胶束浓度的SDS溶液中掺入SDBS可以进一步
降低表面张力，同时，还可以提高泡沫液相黏度。

此外，SDBS与SDS复配可以
增大泡沫内外2层表面间的静电斥力（如图9所示），从而使液膜排液变得困难。

以上这些因素说明，在SDS溶液中掺入SDBS有利于提高泡沫稳定性。

但由图6还可看出，当SDBS掺量过大（＞0.4%）时，其发泡倍数和泡沫稳定性
均会变差。

这是因为过多的SDBS会破坏原有SDS单分子层的有序结构，从而降
低发泡和稳泡效果。

2.2 .2 与动物蛋白发泡剂复配
动物蛋白发泡剂是以牛、羊等动物的角质蛋白为原材料制得的常用发泡剂。

以浓度为1.25%的SDS为母液，测试添加动物蛋白后复配发泡剂的发泡性能，结果见图10。

从图10可以看出，添加动物蛋白对泡沫性能的改善比添加SDBS更为显著，在掺量为0.3%时，溶液的发泡倍数达到106倍，较空白样的提高了41%，同时沉降
距降低了41.2%，泌水量降低了21.6%。

这是由于适量动物蛋白的加入可以改善
液膜的表面黏度和膜内液体的黏度[8]，有利于发泡倍数和发泡稳定性的提高。

但
和SDBS一样，动物蛋白掺量不宜过大，当掺量大于0.3%时，发泡倍数明显下降，同时沉降距和泌水量增大。

对比图6和图10可知，与SDBS相比，动物蛋白与SDS复配后其发泡性能和稳
泡性能更优。

2.3 发泡剂改性
要形成稳定的泡沫体系，一方面，要降低液相表面张力使之易于形成具有巨大的液气界面的粗分散体系，另一方面，该泡沫体系还应在一定时间内稳定存在。

泡沫的破灭方式主要有重力排液、表面张力排液和气泡内的气体扩散3种方式，而这3
种破坏方式都与膜壁自身的物理性能（如膜壁液体的黏度、厚度及表面活性剂分子之间的静电斥力）有关[9-10]。

因此，可以选择添加稳泡剂，通过增加膜壁的黏度
及改善膜壁的厚度或提高活性分子之间的静电斥力等作用来改善泡沫的稳定性。

在SDS（浓度为1.25%）与动物蛋白（掺量0.3%）复配发泡剂的基础上，研究了PVA掺量对其泡沫性能的影响，试验结果如图11所示。

从图11可以看出，PVA掺量较少时，对发泡倍数影响不大，但可明显降低1 h沉降距和1 h泌水量。

这是因为，PVA是一种具有良好水溶性的高分子化合物，它不仅能提高液相黏度，阻止液膜排液，同时还能形成高强度的界面膜，因此有较好的稳泡作用[11]。

但由图11也可看出，PVA掺量过大时，会对体系发泡性能和泡沫稳定性均产生不利影响。

综合发泡性能和稳泡性能，PVA的最佳掺量为
0.002%～0.003%。

（1）SDS发泡的最佳浓度远高于其临界胶束浓度，其最佳发泡浓度为1.25%。

（2）SDBS与动物蛋白或SDS复配都能提高其发泡性能和稳泡性能，并且动物蛋白效果优于SDBS。

（3）添加适量的PVA能进一步提高SDS与动物蛋白复配发泡剂稳泡性能，其最佳掺量为0.002%～0.003%。

【相关文献】
[1]王朝强，谭克锋，徐秀霞.我国泡沫混凝土的研究现状[J].混凝土，2013（12）：57-61.
[2]马志珺，李小云，马学雷，等.蛋白质型混凝土发泡剂的研究[J].建筑科学，2009，25（5）：73.
[3]石行波，霍冀川，李娴，等.动物蛋白发泡剂制备泡沫混凝土的研究[J].硅酸盐通报，2009，28（3）：609-612.
[4]JMaldonado-Valderrama，A Martin-Molina，A Martin-Rodriguez，et al.Surface properties and foam stability of protein/surfactant mixtures：theory and
experiment[J].Journal of Physical Chemistry C，2007，111（6）：2715-2723.
[5]Panesar D K.Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents[J].Construction and Building Materials，2013，44（7）：575-584.
[6]朱小红，潘强余，阮玉林，等.滴体积法测定表面活性剂溶液临界胶束浓度的新方法[J].北京服装学院学报，1995（1）：32-36.
[7]赵振国.应用胶体与界面化学[M].北京：化学工业出版社，2008：310-311.
[8]姜松，王路明，冯扣宝.混凝土用蛋白质发泡剂的复配改性研究[J].功能材料，2015（9）：9056-9061.
[9]肖红力.泡沫混凝土发泡剂性能的研究[D].杭州：浙江大学，2011.
[10]李文博.泡沫混凝土发泡剂性能及其泡沫稳定改性研究[D].大连：大连理工大学，2009.
[11]王世荣，李祥高，刘东志.表面活性剂化学[M].北京：化学工业出版社，2007.。