泡沫稳定性地测量

实验四泡沫稳定性的测量

一实验目的

测量一定条件下泡沫的半衰期,用以判断泡沫的稳定性

二实验原理

泡沫是气体分散于液体中的多相分散体系，气体是分散相(不连续相)，液体是分散介质(连续相)。制备泡沫的过程中，液体中的气泡在密度差的作用下易在液面上形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物——泡沫。泡沫的发泡性是指泡沫生成的难易程度和生成泡沫量的多少；泡沫的稳定性是指生成泡沫的持久性(寿命)，即消泡的难易。

用于测量泡沫性能的方法有许多，传统方法有气流法、振荡法和搅动法。现代方法有：近红外扫描仪法、电导率法、光电法、高能粒子法、声速法、显微法。

本文主要根据泡沫形成的方式对气流法和搅动法进行介绍。

1.气流法：气流法的装置为一带刻度的、底部装有毛细管的圆柱形石英管。为确保起泡前容器壁保持干燥，需通过长颈漏斗伸向容器底部向容器中加入试液。试验时，以恒定的速度向容器内缓慢通气一段时间后，立即测量停止通气时产生泡沫体积作为溶液起泡性的量度。记录下泡沫高度衰减到原来高度的一半时所需的时间t1/2，用于表征泡沫的稳定性。此外，膜起泡法也是通气法中的一种，这种新方法主要是使作为分散相的气体通过膜的微孔被压入溶液中，产生的气泡被溶液中的表面活性剂稳定，并由于气体流动的剪切力使之与膜表面分离。此法的优点是泡沫的粒径分布在一个较窄的区域内，并随膜孔直径的变化而变化。

气流法仪器简单，重复性良好，是目前比较常用的泡沫性能评价方法之一。但如果刻度量筒直径过小时（小于3cm），会存在壁效应，对测试结果产生一定的误差。

搅拌法（Waring-Blender法）：

将一定体积待测试液加人量筒中，记录液体高度为I，开动搅拌器，转速4000-13000r/min，搅动30秒后，停止搅拌，记录泡沫初始高度为M，记录5min后泡沫高度为R，试验温度为(25士1)℃，溶液的发泡力Fm，泡沫稳定性Fr分别表示为：

Fm=M-I Fr=R-I

搅拌法：在相同的条件下，搅动量筒中的试液产生泡沫，以停止搅拌时的泡沫体积表示起泡性，以泡沫体积随时间的变化计算泡沫寿命：V为时间t时的泡沫体积，V0是泡沫层最大体积。

搅拌法测定泡沫的稳定性泡沫性能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表示出泡沫的稳定性。在搅拌过程中可以控制其搅拌速度不变，这种方法与倾泻法或振荡法相比具有更好的重复性。此法操作方便，重现性好，能较准确地反映出发泡剂的起泡能力和泡沫稳定性，是用于评价发泡剂性能优劣的常用方法。

1.泡沫的稳定性，可以用泡沫排液速度或泡沫半衰期来量度。显然，泡沫越稳定，排液速度愈小，半衰期愈长。泡沫半衰期是指：由泡沫中排出的液体体积为泡沫未排液时全部液体体积的一半所需的时间。它可用下法求出：设V0：泡沫中液体的体积（即发泡液体积）；

Vt：t时间由泡沫排出的液体体积；

V0－Vt：泡沫中为排除的液体体积，它随时间增加而减小。

瞬时排液速度为：-d(V0-Vt)/dt=K(V0-Vt)n或dV/dt=K(V0-Vt)n

式中n称为排液级数，K称为比例常数，它与温度，液体密度，液体粘度，泡沫的高度，重力等因素有关。

在实验过程中，从泡沫中排除的液体的体积随着时间增加而增加。故可得Vt-t曲线，利用化学动力学中测定反应级数的方法，可以确定n和K值，从而可求出泡沫的半衰期t1/2方法是：在曲线上任取两点。则此两点上的瞬时排液速度分别为：

(dV/dt)1=K(V0-Vt)n1, (dV/dt)2=K(V0-Vt)n2,

二式取对数相减既得：

另外，瞬时排液速度通式取对数，可取：lgK=nlg(V0-Vt)-lg(dV/dt)

通过此式可解得K，求得n和K值，代入排液速度公式，并令Vt=1/2V0。即可求出t1/2。

2.影响泡沫稳定性的因素

泡沫的稳定性的含义是泡沫存在“寿命”的长短，换言之，是指生成泡沫的持久性。泡沫是一种亚稳态的体系，影响其稳定性的因素较为复杂，主要有以下几个方面。

2.1泡膜性质的影响

2.1.1起泡溶液的表面张力

随着泡沫的生成，液体表面积增大，表面能增高。根据Gibbs原理，体系总是趋向于较低的表面能状态，低表面张力，可使泡沫体系能量降低，有利于泡

沫的稳定。液膜的Plateau交界（图1中的PB处）与平面膜（图1的A处）之间的压差ΔP与溶液表面张力σ成正比，表面张力低则压差小，因此排液速率减慢，有利于泡沫的稳定。但事实证明，液体表面张力不是泡沫稳定性的主要影响因素，只有当表面膜有一定的强度、能形成多面体的泡沫时，低表面张力才有利于泡沫的稳定。

2.1.2表面粘度

表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。这种粘度主要是指表面活性分子在其表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。可以认为泡沫的稳定性取决于液膜的排液速率，排液速率则受表面粘度的控制，表面粘度越大，排液速率越小，泡沫的寿命越长。

2.1.3液相粘度

起泡溶液粘度的增加，使泡沫液膜不易被破坏，这里有双重作用：一是增加了液膜的表面强度，另一个是延缓了排液时间，即液膜变薄速率降低，增加了泡沫的稳定性。但液体粘度仅为一辅助因素，若没有表面膜的形成，即使液相粘度再大也不能形成稳定的泡沫。

2.1.4Gibbs表面弹性和Marangoni效应

泡沫受到冲击时，泡膜局部变薄，表面积增加，表面活性剂分子的密度减小，表面张力增大；在形成的表面张力梯度的作用下，表面活性剂分子沿表面扩张并拖带着相当量的表面下的溶液，使局部变薄的泡膜又恢复到原来的厚度，这种现象叫表面弹性或Gibbs弹性。表面活性剂分子向着局部变薄的泡膜扩散并使变薄处的液膜的表面张力恢复到原来的大小，需要一定的时间，这就是Marangoni 效应。显然，加入表面活性剂前后，σ变化越大，形成的表面张力梯度越大，