泡沫稳定性影响因素及性能评价技术综述

0 引 言

泡沫是许多气泡被液体分隔开的多项分散体系

[1]

。其中，液相是分散介质，气体是分散相。泡沫以

其独特的性能在很多领域得到越来越多的应用，如泡沫灭火[2]、石油的二次和三次开采[3]、矿业泡沫浮选、疏松食品中的起泡和稳泡[4]、废水处理[5]、酿造工业、光电对抗[6]、土壤的净化[7]以及洗涤和洗消[8]等。

泡沫的稳定性和发泡性是泡沫在实际应用中最重要的两个性质。泡沫的稳定性是泡沫的主要性能，好的发泡性是研究泡沫稳定性的前提。多年来，研究者对泡沫的稳定性进行了大量的研究：日本的伊藤光一[9]在20世纪70年代就已经研究了表面粘度对泡沫

寿命的影响；美国的Friberg [10]发现含有液晶相的溶液能产生较稳定的泡沫；Schick [11]研究了一些添加剂对泡沫稳定性的影响。随着泡沫应用领域不断被认识，对泡沫稳定性的研究将越来越受到重视。

1 泡沫的衰变机理

目前普遍认为泡沫衰变的机理有两个：一是液膜的排液；另一个是气体透过液膜的扩散。两种机理均与液膜性质及液膜与Plateau 边界间的相互作用有直接关系 [12]。 1.1 液膜的排液

泡沫中液膜的排液是气泡相互挤压和重力作用的结果。气泡的挤压主要来源于曲面压力。泡沫的结

泡沫稳定性影响因素及性能评价技术综述

唐金库

（中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸，056027）

摘 要：泡沫稳定性是泡沫的一个重要性能。为了更好的控制泡沫的稳定性，本文对泡沫的衰变机理和影响泡沫稳定性的诸因素进行了系统的评论，并对测试泡沫性能的评价方法进行了详细介绍，讨论了各方法的优缺点，同时展望了有关泡沫稳定性研究的发展方向。 关键词：泡沫；泡沫稳定性；评价技术

中图分类号：TQ423.121 文献标识码： A

Review on Influence Factors and Measurement Techniques of Foam Stability

Tang Jin-ku

(The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China)

Abstract ：Foam stability was one of the important performance of foam. In order to better control foam stability, the disintegrate mechanism and the influence factors of foam stability was systemically commented. The measurement techniques of foam stability were introduced in detail, and the advantages and disadvantages of each method were discussed. At the same time, some research interests relevant to foam were presented.

Key words ：Foam, Foam stability, Measurement techniques

舰 船 防 化

2008年第4期，1~8 CHEMICAL DEFENCE ON SHIPS No.4, 1~8

构如图1所示，三个气泡的交界区称为Plateau 边界区，简称P 区[13]。假设气泡的曲率半径为R 1，P 区的曲率半径为R 2，气泡内的压力为P 0，相邻两气泡间的液体压力为P A ，P 区的液体压力为P B ，则根据Laplace 方程，可以确定曲面两侧的压力差

A B P P P ∆=− （1）

其中：

012/A P P R σ=− （2） 012(1/1/)B P P R R σ=−+ （3）

将式（2）和（3）代入（1）得：

12(1/1/)P R R σ∆=+ （4）

式中σ为液体表面张力；通常两气泡的交界面近乎平面，即1R →∞，11/0R →，因此式（4）可以简写成2/P R σ∆=。由于σ、2R ＞0，因此P ∆＞0，即

A P ＞

B P ，在这种压力差作用下，泡沫中的液体自动

地从液膜处流向P 区（即流向为A B →），使液膜变薄，最终导致泡沫的破灭。

图1 液膜排液机理

Fig. 1 Mechanism of liquid expel from film

1.2 气体透过液膜的扩散

由于气泡的大小总是不均匀的，根据Laplace 方程，泡沫中小气泡内的气体压力高于大气泡。在这一压力差作用下，小气泡中气体会透过液膜扩散到大气泡中，导致小气泡变小，以致消失，而大气泡变大，最终破裂。对于浮在液面上的气泡，气体会透过液膜直接向气相扩散，导致泡沫衰变。

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。由式（4）可知，液膜的Plateau 交界（图1中的P B 处）与平面膜（图1的A 处）之间的压差P ∆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。

2.1.4 Gibbs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

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