第3章表面活性剂的功能与应用起泡和消泡作用

(3) 气体的透过性
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
（4） 界面膜的性质
决定泡沫稳定性的关键因素是液膜的表面粘度和 弹性。
① 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。
−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
非离子表面活性剂
① 多元醇脂肪酸酯
乙二醇单硬脂酸酯 甘油单硬脂酸酯
② 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
ห้องสมุดไป่ตู้
（2）破坏膜的弹性
加入γ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。
（3） 降低液膜黏度使泡沫寿命缩 短
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。
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。
③表面活性剂浓度的影响
当表面活性剂浓度低于cmc时，随其浓度的增加， γ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， γ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。
三 泡沫形成条件
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。
四 泡沫的破坏机制
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。
无机电解质的加入对泡沫的稳定不利。
（6）表面活性剂的分子结构
表面活性剂的疏水基 亲水基 表面活性剂的浓度
① 疏水基
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：
C12~C14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。
变压力、离心分离、超声波振动及过滤。 (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。
八 消泡机理
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
（1）降低泡沫膜局部表面张力
消泡剂的γ<泡沫液膜的γ，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。
作业题
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？
思考题
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？
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。
② 表面活性剂的亲水基
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
烷基苯磺酸盐
琥珀酸单酯磺酸钠
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 脂肪醇聚氧乙烯醚琥珀酸单酯铵盐磺酸钠 脂肪醇聚氧乙烯醚单琥珀酰胺磺酸二钠
(2) 表面活性剂的稳泡性
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。
六 影响泡沫稳定性的因素
（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
九 消泡剂
消泡剂应该具备的性能： ① 能与泡沫表面接触的亲和能力； ② 能在泡沫上扩散和进入泡沫，并取代泡沫膜壁的
性能； ③ 不溶于介质中； ④ 能在泡沫介质中分散的适宜颗粒作为消泡核心。
十 消泡剂类型
（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
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。
（1）表面活性剂的起泡力
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=γA
△E—泡沫产生前后体系的能量差 W外一定， γ越低，A越大，起泡越容易。
常用起泡剂
阴离子表面活性剂
羧酸盐 硫酸盐 磺酸盐
脂肪酸盐 脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠 邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐 烷基硫酸盐 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 烷基硫酸乙醇胺盐 烷基磺酸盐
排液的主要原因：
① 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。
② 表面张力排液
表面张力排液
Laplace 公式
P 2
R
Plateau边界 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。
―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： ① 自低表面张力区迁移之高表面张力区。 ② 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γ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。
第三章 表面活性剂的起泡和消泡
一 泡沫的形成
二 泡沫的性质
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。
气泡内气体的扩散---机制二
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。
Laplace 公式
P 2
R
五 表面活性剂的泡沫性能
① 起泡性 泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少。 ② 稳泡性 生成泡沫的持久性、消泡的难易，即泡沫的寿命
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。
② 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。
（5）表面电荷
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）
性更好）
—一些蛋白质、明胶水溶液的γ(稳泡性好）>表面 活性剂水溶液的γ
（2）表面张力的自修复作用
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；
（4）疏水固体的消泡作用
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。
① 表面黏度 ② 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
（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。 γ不是泡沫稳定的决定因素。
P 2
R
—丁醇水溶液的γ<十二烷基硫酸钠水溶液的γ（起泡
（7） 其他影响泡沫稳定性的因素
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。
七 消泡
泡沫的消除 (1) 物理法：温度（液体蒸发或冻结）、急剧改