泡沫結構與影響泡沫穩定性的因素

1. 目的(前言)

　　無論在工業生產還是家庭生活中，泡沫在很多工藝和過程中都扮演著重要的角色。有時泡沫是作為必要存在的，還會被看做是產品的典型特質;例如洗發水和啤酒上的泡沫。泡沫經常對產品的性能做出重要貢獻，例如在清洗作業中。另一方面，泡沫會破壞生產工藝，例如在紡織和造紙工業中，因此必須阻止它的產生。

　　所以根據不同的應用，泡沫必須被專業化的生產、控制或消除，它的性能也要符合規定要求。在許多表面活性起到作用的領域，泡沫對讓我們可以對產品和工藝進行優化。這樣的研發需要我們對泡沫的形成和行為(在物理和分子層面上)有基本的理解，以及擁有運用實驗方法研究實際應用的能力。適當的試驗方法在這里是至關重要的。

　　泡沫的復雜性導致了其相關的發展應用非常廣泛。測試方法也十分多樣化。不同的方法之間的本質或許是一致的，但是不同的測試方法之間也很難相互作對比。因此，我們認為，對運用在多種應用中的測試方法進行研究和比較才是有效的手段。

　　標準化的測試方法幫助產品用指定方法進行測試，在相關產業的測試結果也可以實現有效溝通。實驗方法隨著自動化的升級不斷被優化。

　　本手冊旨在從理論和實際的角度出發，對泡沫進行分析處理。其應用領域具有多樣性，因為它可以呈現需求及其面臨的問題。本手冊主要針對產品開發人員、實驗室的配方研發人員。同時，它對泡沫工藝和操作過程同樣有用。

　　在下文的泡沫理論說明中，對表面活性劑和消泡劑的性質都有描述。這樣的表面活性物質在泡沫應用中起著重要作用。它們可以用于泡沫的產生和控制也可以實現特定的泡沫性能。

　　其次，泡沫的許多實際問題會被描述。當需要特殊的泡沫質量，就要有強大的發泡系統;當泡沫是不利的影響因素、必須被破壞和抑制時，小體積的可調節的低發泡系統就可以派上用場。

　　在討論過泡沫測試的普遍問題后，在最后為各個應用的一般測試方法做了一個總結。然而，還有很多其他的很特殊的測試沒有包含在此手冊中。另外，我們只處理液體泡沫，尤其是水性體系，這也是此泡沫實驗的根本因素。

2.泡沫的結構

　　泡沫可以被定義為分散在液體中的氣體，在泡沫中占有大部分體積的是氣體。泡沫在熱動力學上是不穩定的而且會逐步衰減。而衰減的時間范圍變化很大。短暫存在的泡沫通過表面活性分子在幾秒內衰減然后實現穩定。通過聚合物或表面活性劑穩定的泡沫也許會存在幾個小時甚至幾天。在實踐中遇到的泡沫大多涉及到水溶液。

　　有兩種典型的泡沫結構，他們被視作是極限情況，他們通常以其德文名稱示人：

　　??Kugelschaum

　　氣泡是球形的，這種氣泡結構是典型的高含水量的而且通常在泡沫形成后不久被觀察到。

　　??Polyederschaum

　　多面體氣泡被液膜分離，三張液膜會交成一線，這就是Plateau 界面(以比利時物理學家Joseph Plateau命名 1801-1883)這種結構(如圖一所示)，會在泡沫往外排水后形成。之后液體的體積會變小。

　　圖一：泡沫結構

　　泡沫的排水會讓它們逐漸從Kugelschaum轉變到Polyederschaum。圖二為我們展示了這兩種泡沫在泡沫柱中已耗盡的過程。排水過程在粘性液體中很緩慢，因此這有利于Kugelschaum泡沫結構。

　　圖二：泡沫柱結構

　　在靜態的泡沫柱中，排水導致泡沫中液體量減少。與此同時，形成的薄的液體片層逐漸破裂，從而泡沫就破裂了。因此，這個破裂過程包含了結構上的改變，還有泡沫體積的減小。

　　動態泡沫柱的發生，例如當泡沫因注入空氣、循環和連續噴射而產生。在經過一定時間后會達到穩定狀態。

3.穩定和衰變機理

　　純凈的液體不會起泡，因為薄膜在沒有吸附層在液體表面時不能穩定。表面活性劑，作為表面活性劑，需要具有穩泡性能。依據穩定劑的類型和濃度不同，吸附層可能是流動的也可能是非流動的。非流動的吸附層通常產生在聚合物中，往往會使泡沫更穩定。

　　泡沫的穩定性和衰變一般由多種機理決定。有些用于隔離薄膜，而其在薄膜之間的聯結點同樣起著重要作用。

a) 薄膜

　　穩定的泡沫，只有在液體上的薄膜足夠穩定不會破裂時才會形成。這樣的薄膜也會產生于金屬框或者肥皂泡中。由于這些機理，泡沫可以穩定的：

　　●Gibbs-Marangoni機理

　　薄膜的厚度可能是有波動的，考慮到一部分可能已經變薄就如圖三所示。

　　圖三：Gibbs-Marangoni 機理

　　界面的表面活性劑覆蓋率降低，會增加表面張力。表面張力的梯度造成表面活性劑分子的遷移，會修復在這過程中的缺陷。修復機理中很重要的一方面是表面活性劑分子遷移到薄弱點時會隨之拖帶液體。Gibbs-Marangoni機理在表面活性劑濃度中等時是最有效的。如果表面活性劑濃度過低，擴散時間就會很長而且界面只能覆蓋部分。若表面活性劑濃度高，從本體溶液的吸附會很快而且在膜薄的部分的表面覆蓋率會增加。

　　●表面粘度

　　吸附層間的分子間作用力阻止了分子的相對滑移。這就造成了表面粘度，它被看作是模擬了三維體積粘度的二維粘度。

　　●表面彈性

　　當表面活性劑分子有強相互作用時，相應的薄膜不僅有高表面粘度還有強的表面彈性，這兩個效果都會讓薄膜趨于穩定或者導致相關的泡沫結構。

　　●空間位阻和靜電斥力

　　離子系統中雙電子層之間的斥力讓液膜趨于穩定。頭部基團的空間位阻效應(例如聚環氧乙烷)或者被吸附的聚合物也可以阻止片層的破裂。范德華力在這里起了相反的作用，它會破壞膜。

　　●液體的微觀結構

　　當濃度高于臨界膠束濃度時，表面活性劑會在體相中聚集。在薄膜中，可能會形成液晶層結構[2]。這讓液膜通過減緩排水更具穩定性。

B）泡沫穩定性

　　在泡沫中影響其穩定性的因素有很多。

　　●Plateau 界面吸力

　　因為液膜在Plateau界面的曲率，此處壓力會低于液膜的。這個結果可由拉普拉斯方程計算出：壓力、表面張力和曲率的關系(圖四)。這幅圖給我們顯示了Plateau 界面的橫截面。當我們運用拉普拉斯方程時，要重視的是：Plateau界面的曲率半徑對界面吸引力有消弱，因為從液體一側看表面是凸起的。液體從液膜中排出到Plateau界面，這些膜層會逐漸變薄。這可以讓它們達到一個亞穩態：薄膜表面之間的斥力、分離壓可以平衡“排水力”[3].液膜的排水過程因液體粘度很高被減緩。

圖四，Plateau界面橫截面

　　●流動性的膜

　　在流動性的膜中，移動往往向著薄弱點的，這個現象被稱作是臨界恢復。

　　●由于重力而產生的排水

　　液體通過Plateau邊界向下流動。

　　 ●溶劑蒸發

　　在敞開容器中，泡沫會緩慢蒸發。這會讓液膜的厚度變薄，尤其是上部的泡沫。

　　其他影響泡沫形成和穩定性的因素

　　當氣體和液體混合時，氣泡生成，又會被液體的動力打破。如果穩定劑阻止了液體迅速的結合，泡沫將因此形成。氣泡的豐富程度取決于與液體混合的氣體量和機械應力(剪切速率)。通過一些測試方法，可以系統的改變這些參數。然而在多數情況下，這些定量的參數是不明確的，即使有很明確的定性的差異。因此用不同的方法來比較泡沫的產生通常是很困難的。

　　泡沫也可以通過飽和液體中的氣泡成核而形成。這個機理在碳酸飲料的應用中尤其重要。

　　因為泡沫的穩定需要表面活性，我們可以理解為降低表面張力會對起泡過程有益。雖然降低表面張力對發泡來說是在正常不過的要求，起泡程度和表面張力之間不存在一般相關性。若我們對起泡的瞬時進行研究，起泡和表面張力動力學似乎更相關，而且這在一些基礎研究中已經被觀察到了.

泡沫分析儀常用于泡沫穩定性測試

　　泡沫穩定劑

　　我們可以將泡沫穩定劑分為以下幾類：

　　●表面活性小分子

　　短鏈醇和羧酸是這類發泡劑的典型。他們可以產生短暫的泡沫。 通常泡沫穩定性隨著濃度的增加最大化。這可以用Gibbs-Marangoni機理解釋。

　　●形成膠束的表面活性劑

　　典型的表面活性劑形成穩定泡沫。隨著表面活性劑的濃度增大到一個極限值，泡沫的壽命增加。

　　●聚合物

　　具有兩親性(親水和親油)的聚合物會是非常有效的泡沫穩定劑。有個我們都知道的例子：啤酒，它其中的泡沫就是來源于蛋白質。

　　●部分互溶的液體

　　表面活性就是液體系統類似于相分離，泡沫向相邊界接近的趨勢大大增強。

　　●非水性泡沫

　　非水性的泡沫可能在蒸餾容器中造成問題[6],石油生產[7]和碳氫燃料[8]。在某些方面，相同的原理可以用于水性或者非水性的系統。本體和界面的粘度可能對烴類泡沫也有很大的影響。