表面活性剂--泡沫

表面活性剂
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1.天然油脂
天然油脂主要成分是高级脂肪酸及其酯，高级醇及其酯，它 们在不同的条件下都可用作消泡剂。 1)植物油类：棉子油、蓖麻油、油酸、椰子油、妥尔油及啤酒 花油等。 2)动物油：猪油和牛羊油等。
3)动植物蜡：棕榈蜡、蜂蜡和鲸蜡等。
1）表面活性基的疏水链 随着碳链的增加，起泡力也随之而增加，但常会 经过一个最高值。随着碳链再增长，起泡力反而 要降低。 C12和C14
2）表面活性剂的亲水基
亲水基的水化能力强就能在亲水基周围形成很厚 的水化膜
离子型表面活性剂其亲水性基水化性强又能使液 膜的表面带电 极性键：稳泡剂应选择分子结构中带有羟基，氨基 和酰氨基的表面活性剂以便在表面膜中可形成氢键， 而增加表面膜粘度达到稳泡的目的。
②具有能在泡沫上扩散和进入泡沫，并取代
泡沫膜壁的性能；
③不溶于介质之中； ④具有在泡沫介质中分散的适宜颗粒作为消 泡核心。
消泡剂
1 降低局部表面张力
1 天然油脂、矿物油 2 固体颗粒 2 破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用 3 降低膜黏度 4 固体颗粒
3 合成表面活性剂
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1.气液接触
2.发泡速度高于破泡速度
3.制造泡沫的方法 1)聚集法 发泡液中有高压气体、低沸点液体或反应后能生成气体的物 质，通过减压或化学反应，使气体分子集合形成泡沫。如啤酒、 汽水、水沸腾和泡沫灭火器等。
2）分散法
通过搅拌、振荡、喷射空气等方法使气、液混合。
8.1.3泡沫的破坏机制
1.泡沫液膜的排液变薄
过程。
泡沫的稳定性主要取决于排液快慢和液膜的强度。
泡沫的稳定性与那些条件相关呢？
1 表面张力 2 表面张力的修复作用
3 界面膜的性质
4 表面电荷 5 泡内气体的扩散
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1）表面张力
液体的表面张力低，有利于泡沫的形成，生成相同 的泡沫，外界对体系作功较少，体系能量的增加 亦较少。 液体表面张力不是泡沫稳定性的决定因素。
8.3泡沫性能的测定
泡沫性能的测定，就是测定起泡性和泡沫稳定性
根据成泡的方式主要分两类：气流法和搅拌法。
7.3.1气流法
图7-10 气流法测定泡沫稳定性
8.3.2搅动法
图7-11 搅拌法测定泡沫的稳定性
图7-12 泡沫性能v-t曲线
可由v－t曲线求得，量出v—t曲线下的积分量，即为泡沫体积对时间的积 分面积，用Lf表示出泡沫的稳定。
第八章泡沫分散体系
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打开啤洒、香槟瓶即有大量泡沫出 现等，液体泡沫。 面包、蛋糕等弹性大的物质以及 泡沫塑料、饼干等为固体泡沫。
人们通常所说的泡沫多指
液体泡沫 也是本节要讨论的主要内容。
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Hale Waihona Puke Baidu
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泡沫:以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物。 起泡剂：起泡好的物质称为起泡剂。
抗硬水，可用于配制各种洗涤剂，还可用作高温钻
井液的发泡剂。
B脂肪酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐
R＝脂肪酰氨基，椰子油酰氨基 特点：无色至微色透明液体，发泡力强泡沫丰富且稳定 性好。广泛用于各种洗涤制品中作助洗剂。
C聚氧乙烯烷基醚磺化琥珀酸单酯铵盐 R＝C12H25－，n＝1～3 特点：无色透明粘稠液体，发泡性好，泡沫均匀且稳定性好， 有良好的生物降解性。 D聚氧乙烯脂肪醇醚单酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐
表面形成高粘度高弹性的表面膜，因此有很好的稳泡
作用。
2）高分子化合物
聚乙烯醇、甲基纤维素，淀粉改性产物，羟丙基、羟
乙基淀粉等，
特点：它具有良好的水溶性，不仅能提高液相粘度阻止液膜排
液，同时还能形成强度高的膜，有较好的稳泡作用。
3）合成表面活性剂 特点：一般是非离子型表面活性剂，其分子结构中含有生成氢 键条件的基团。用以提高液膜的表面粘度。 种类：A脂肪酸乙醇酰胺 B脂肪酸二乙醇胺 C聚氧乙烯脂肪酰醇胺 D氧化烷基二甲基胺(OA) E烷基葡萄糖苷(APG)
第一种过程自低表面张力区迁移至高表面张力区。 第二种过程是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，使受到冲击液膜的表面张力恢复到原 来的值。 例1：醇类水溶液 例2：表面活性剂溶液浓度超过cmc较多时。
3）界面膜的性质
表面吸附膜的坚固性通常以表面粘度来量度。 表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。
，因此起到稳定泡沫的作用。
4）气体的透过性
液面上气泡半径随时间变化的速度，来衡量气体的透过
性。
气体透过性与表面吸附膜的紧密程度有关，表面吸附分
子排列愈紧密，表面粘度愈高，气体透过性愈差，泡沫的
稳定性愈好。
5）表面电荷
图7—8 液膜中离子型表面活性剂双电层
图7—9 离子型表面活性剂的双电层
6表面活性剂的分子结构
A 脂肪酸乙醇酰胺
代表产品为月桂酸单乙醇酰胺
特点：此产品表面活性高，泡沫稳定性好，有良好的钙皂分散力，抗硬水性能好。
B 脂肪酸二乙醇胺
代表产品，月桂酸二乙醇酰胺
特点：能增加溶液的粘度，稳泡力强，具有钙皂分散力。
8.5消泡.
物理法 化学法。
8.5.1扩展系数与浸入系数
1)扩展系数
S>0，消泡剂能在泡沫液膜上扩展；
2）表面活性剂的自修复作用
在泡休液膜受到外力外力冲击时，有使液 膜厚度恢复，使液膜强度恢复的作用，
Gibbs-Marangoni效应。
Marangoni效应
图7-5 表面活性剂的自修复作用
Gibbs弹性
Gibbs弹性：通过收缩使该处表面活性剂浓度恢 复并且阻碍液膜的排液流失。
表面吸附分子的迁移
8.4起泡剂与稳泡剂
8.4.1起泡剂（具有低表面张力的阴离子表面活性剂） 1）羧酸盐 2）硫酸盐 3）磺酸盐 4）磺化琥珀酸盐
8.4.2稳泡剂
1）天然产物 2）高分子化合物 3）合成表面活性剂（非离子表面活性剂)
8.4.1起泡剂
1）羧酸盐 A脂肪酸钠(肥皂) 通式：RCOOM R为C12和C14起泡性最好，M为钠、钾、铵 缺点：在硬水中起泡性差。 AEC (脂肪醇聚氧乙烯羧酸钠) 通式：RO(CH2CH2O)3CHCOOM ，R为C12～14；M为钠、钾、铵 优点：发泡力强，具有优良的抗硬水性和钙皂分散能力，泡沫 丰富且稳定，发泡力不受水的硬度和介质pH值的影响。
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肥皂，热水 在肥皂水里加入一小匙的砂糖或 少许的茶叶，放在阴暗处过夜后， 就会发现这种肥皂水吹出来的泡
泡颜色不但鲜艳，而且比较不容
易破裂。
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8.3泡沫稳定的因素
泡沫是一种热力学不稳定体系，破泡后体系总表面减少，能量降 低，这是一个自发过程。 泡沫破坏的过程，主要是隔开气体的液膜由厚变薄，直至破裂的
A表面粘度
7.1一些表面活性剂（0.1％）的表面张力等性质和泡沫寿命的关系
表面活性剂
Tritox-100 烷基苯磺酸钠 E607ZL 月桂酸钾 十二烷基硫酸钠 十二烷基硫酸钠
表面张力 (达因／厘米)
30.5 32.5 25.6 35.0 38.5 23.5
表面粘度 （表面泊）
3×10-3 4×10-3 39×10-3 2×10-3 55×10-3
泡沫寿命 （秒）
6 440 1650 2200 69 6100
由表7-1可知 溶液表面张力的高低与泡沫的寿命无一定关系。
表7.2十二醇对纯十二烷基硫酸钠水溶液的表面粘度和泡沫寿命的影响 十二烷基硫酸钠 浓度（g/100ml） 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.5 0.5 0.5 0.5 十 二 醇 浓 度 （g/100ml） 0 0.001 0.003 0.005 0.008 0 0.005 0.015 0.025 表面粘度 （表面泊） 2×10-3 2×10-3 31×10-3 32×10-3 32×10-3 2.5 2.5 2.45 泡沫寿命 （秒） 63 825 1200 1380 1590 295 960 1100 1200
S<0，则不能在泡沫液膜上扩展。
2)浸入系数
E>0，消泡剂能够进入泡沫液膜， E<0时，则不能够进入泡沫液膜。
Ross假说：
8.5.2消泡机理
1 表面张力 2 界面膜的性质 3 表面张力的修复作用 4 表面电荷 1 降低局部表面张力
2 破坏界面膜的弹性 使其失去自动修复作用
3 降低膜黏度 4 固体颗粒
2）表面活性剂的稳泡性
泡沫“寿命”
3.4.2 表面活性剂的起泡和稳定作用
1 表面活性剂的起泡性
表面活性剂在外界作用下产生气泡的难易程度
加压通气、搅拌
W外=ΔE=γA
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2 表面活性剂的稳泡性 稳泡剂 天然化合物 高分子化合物 合成表面活性剂
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2）气泡内气体的扩散
小气泡内的压力大于大气泡内的压力.
8.2表面活性剂的起泡和稳泡作用
图7.4 泡沫生成模式图
表面活性剂的泡沫性能
“ 起 泡 力 ” 是指 泡沫形 成的难 易程度 和生成 泡沫量 的
多少。
“ 泡膜稳定性”是指生成泡沫的持久性－消泡的难易。
1）表面活性剂的起泡性
表面活性剂降低水的表面张力的能力来表征。
B邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐
通式 式中R一般为C12H25， 特点：白色膏状流体，表面活性好，发泡性好，钙皂分散性强，常用于 日化及工业应用领域作高效发泡剂。
2）硫酸盐 A脂肪醇硫酸盐 通式：ROSO3M，R：C12～14H25～29 M为钠、钾、铵， 十二烷基硫酸钠发泡力强，泡沫稳定性稍差。 B烷基醇聚氧乙烯硫酸钠(AES) 通式： RO(C2H4O)nS03Na，R为C12H25－ n＝1～2
a 十二烷基硫酸钠在液膜上形成的吸附
b 十二烷基硫酸钠与十二醇在液膜形成的堆密混合膜
图7-6液膜中形成了十二烷基硫酸钠与十二醇在液膜形成的堆密混合膜
图7-7 月桂酰异丙醇胺对0.1%月桂酸钠溶液（pH=10）的泡沫寿命和表面粘度的影响
一方面，表面粘度大使液膜表面强度增加；
另一方面．使临近液膜的液体不易排出
5 泡内气体的扩散
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1)消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡
2)消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修作用而消泡 3)消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡
4)固体颗粒消泡作用机理
固体颗粒表面必须是疏水性的。
图8-20 疏水二氧化硅消泡过程
8.6 消 泡 剂
①具有能与泡沫表面接触的亲和能力；
R＝C12H25－，n＝8～12
特点：琥珀色的粘稠液体，溶于水，表面活性好具有较好的起 泡力，去污性及耐硬水性，用于日用化工和工业领域作 净洗剂等。
8.4.2稳泡剂
1）天然产物
2）高分子化合物
3）合成表面活性剂
1）天然产物 明胶是一种从动物的皮骨中提取的蛋白质富含氨基酸。 皂素的主要成分糖苷含有多羟基、醛基等。 特点：降低表面张力的能力不强，但它们却能在泡沫的液膜
稳泡剂：在表面活性剂配方中加入增加泡沫稳定性的物质。
8.1泡沫性质
8.1.1泡沫的分类
图8.1 气泡、气泡分散体、泡沫
1）寿命 “短暂泡沫”和“持久性泡沫”。 2）产生泡沫的力和破泡力之间的平衡 “不稳定性泡沫”和“稳定性泡沫”。 3）聚集状态
液多气少的“气泡分散体”和气多液少的“泡沫”。
8.1.2泡沫产生的条件
2.气泡内气体的扩散
1.泡沫液膜的排液变薄
A重力排液
在地心引力作用下液膜就会产生向下的排液
现象，使液膜变薄。
B表面张力排液
图7—3 Plateau边界
由于阻力的存在，膜达到一定的厚度可能达到暂时 平衡。从曲面压力看，膜之间夹角为120度时，泡沫 最稳定。
膜之间夹角为120度时，泡沫最稳定， 所以在多边形泡沫结构中，大多数是六边形。
B界面膜的弹性
表面粘度无疑是生成稳定泡沫的重要条件，但也不是唯一的。并非
越高越好还须考虑膜的弹性。 例:十六醇能形成表面粘度和强度很高的液膜但却不能起稳泡作用， 因为它形成的液膜刚性太强，容易在外界扰动下脆裂，因此十六 醇没有稳泡作用。理想的液膜应该是高粘度高弹性的凝聚膜。 液膜内液体的粘度也对泡沫的稳定有一定的影响。若液膜液体粘度 高，在液膜的重力排液变薄过程中液体粘度高可使排液速度减缓
特点：淡黄色液体，起泡力强，常用作液体洗涤剂的
起泡剂。
3）磺酸盐 A烷基磺酸盐 通式：RSO3Na R＝C12H25－
特点：有发泡性能。 B烷基苯磺酸钠
通式
R＝C12H25－
特点：有较好的起泡能力，有一定抗硬水性能。
4）磺化琥珀酸盐 A脂肪酸单乙醇酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐
通式：
特点：表面活性高，起泡力强且泡沫稳定，钙皂分散力强，