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1、2020/7/20,1,第七章,表面活性剂 的起泡和消泡作用,主讲：化学学院应用化学系 巩育军,2020/7/20,2,第一节 泡沫简介,泡沫是指气体分散在液体中的分散体系， 气体是分散相，液体是分散介质。气泡被连 续相的液体隔开来。,泡沫有两种聚集态，（1）气体以小的球型均匀分散在较粘稠的液体中，气泡间的相互作用力弱，这种泡沫被称为稀泡，由于外观类似乳状液，有时甚至称这种稀泡为“气体乳状液“,2020/7/20,3,（2）浓泡。浓泡的泡沫是密集的，气泡间只被极薄的层液膜所隔开，是结构为多面体气泡的堆积。浓泡才是真正的泡沫。,一、泡沫的分类 泡沫的分类方法有以下三种：,1按泡沫的寿命分类可分为
2、寿命为几秒的“短暂泡沫”和在无干扰条件下能维持几天不破的“持久性泡沫”。,2020/7/20,4,2按起泡以及消泡之间的力平衡性质，可分为不断接近平衡状态（起泡以及消泡之间的力几乎相等）的“不稳定性泡沫”，和平衡过程受阻的“稳定性泡沫”（起泡力大于消泡力）,3按聚集状态可分为： 液多气少的“气泡分散体”即稀泡，,气多液少的“泡沫” 浓泡,2020/7/20,5,二、泡沫产生的条件,1气液接触,因为泡沫是气体在液体中的分散体系，所以只有当气体与液体连续充分地接触时，才有可能产生泡沫。这是泡沫产生的必要条件。,2020/7/20,6,2。起泡速度应高于消泡速度,无论你向纯净的水中如何充气，也不可能
3、得到泡沫而只能出现单泡，因为纯水产生的泡沫寿命大约0.5秒之内，瞬间存在，即消泡速度高于起泡速度，所以纯水中的只能出现单泡，因此不可能得到稳定的泡沫。,2020/7/20,7,但水中表面活性剂的存在不仅使发泡变得容易而且使发泡速度超过破泡速度，从而得到稳定的泡沫。,2020/7/20,8,2020/7/20,9,三、泡沫的破坏机制,泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系,体系存在着巨大的气液界面，是热力学上的不稳定体系。,造成泡沫破坏的主要原因是（1）液膜的排液减薄；（2）泡内气体的扩散。,2020/7/20,10,.泡沫液膜的排液减薄,（1）.重力排液 气泡间的液膜，由于液相密度远大于气相的密度
4、，因此在地心引力作用下就会产生向下的排液现象，使液膜减薄。,（）.表面张力排液 由于泡沫是由多面体气泡的堆积而成在泡沫中气泡交界处就形成了如图73中的形状称之为Plateau边界(也称为Gibbs三角)。,2020/7/20,11,2020/7/20,12,B处为两气泡的交界处形成的气液界面相对比较平坦可近似看成平液面,而A处为三气泡交界处，液面为凹液面，,从弯曲液面的附加压力来考虑，所以B处液体的压力应大于A处液体内部的压力，因此液体从压力大的B处向压力小的A处排液，使B处的液膜排液减薄。,2020/7/20,13,2.气泡内气体的扩散,因为形成泡沫的气泡的大小不一样，根据Young-Lap
5、lace公式附加压力与曲率半径成反比，小气泡内的压力大于大气泡内的压力，因此（1）小泡会通过液膜向大泡里排气，使小气泡变小以至于消失，大泡变大且会使液膜更加变薄，最后破裂。（）液面上的气泡也会因泡内压力比大气压大而通过液膜直接向大气排气，最后气泡破灭。？,2020/7/20,14,第二节 表面活性剂的起泡和稳泡作用,有SAA的水溶液 形成泡沫的机理,2020/7/20,15,这种带有表面活性剂的双分子层水膜厚度具有光的波长等级(数百纳米)，因此的气泡在太阳光可以看到七色光谱带。,SAA会以疏水的碳氢链伸入气泡的气相中，而亲水的极性头伸入水中。此时形成的是由表面活性吸附在气水界面上形成单分子膜产
6、生的气泡，当气泡上升露出水面与空气接触时，表面活性剂就吸附在液面两侧形成双分子膜.,2020/7/20,16,一、表面活性剂的起泡能力,前已述及，泡沫的产生是将气体分散于液体中形成气-液的粗分散体，在泡沫形成的过程中，气液界面会急剧地增加，因此体系的能量增加，这就需要在泡沫形成的过程中，外界对体系作功，如通气时加压或搅拌等方式。,2020/7/20,17,当外界对体系作功时，体系因产生泡沫使体系的能量增加，其增加值为液体表面张力与体系增加的气液界面的面积A的乘积( A)应等于外界对体系所作的功。若液体的表面张力 越低，则气-液界面的面积A就越大，泡沫的体积也就越大，说明此液体很容易起泡。,表面
7、活性剂就具有明显地降低水的表面张力的能力 ，因此表面活性剂具有很强的起泡能力（性）。,2020/7/20,18,二、表面活性剂的稳泡能力,SAA的稳泡能力是指在表面活性剂水溶液产生泡沫之后，SAA使泡沫持久不灭，或增加泡沫“寿命”的能力。这与SAA在液膜的性质有密切的关系。,三、影响表面活性剂稳泡能力的因素,1界面张力,2020/7/20,19,低表（界）面张力有利于泡沫的形成，同时也有利于泡沫的稳定，因为当形成多面体的泡沫时，会产生表面张力排液的作用。若液膜的表面张力低，在Plateu边界和平面膜间的压差就会小，液膜排液减薄的速度就慢，此时低表张力才有利于泡沫的稳定。,2020/7/20,2
8、0,但是，表面张力的大小并非决定因素，例如乙醇的表面张力在20C0时为2.4mNm-1。由于其表面张力低，所以在外界条件作用下乙醇易于产生泡沫，但泡沫很不稳定破灭很快。而表面活性不太高的蛋白质、明胶等虽然产生泡沫不如乙醇那么容易，但泡沫一旦形成却很稳定。,2020/7/20,21,2界面膜的性质,界面液膜能否保持恒定要得到稳定的关键，影响界面膜性质的关键因素是液膜的表面粘度与弹性,(1)表面粘度 表面粘度是指液体表面分子层内的粘度。表面活性不高的蛋白质和明胶能形成稳定的泡沫是因为它们的水溶液有很高的表面粘度。,2020/7/20,22,2020/7/20,23,溶液表面张力的高低与泡沫的寿命
9、无一定关系。,然而凡是体系的表面粘度比较高的体系，所形成的泡沫寿命也较长。,因为十二烷基硫酸钠和月桂醇在气液界面上形成了致密混合膜所致。于是十二烷基硫酸钠以C12H25SO4-；的形式吸附在气泡液膜上形成双分子吸附膜.极性头带有负电荷,产生电斥力，,2020/7/20,24,不能形成紧密排列，当加入月桂醇后，非离子型的月桂醇插入两个负离子SAA之间形成排列紧密的混合膜,效果：1.非极性碳氢链间的范德华力的增加有利于界面粘度的增加。 2.同时月桂醇非离子SAA的插入会使SAA负离子间的电性排斥性减弱也有利于界面膜强度的增加。,2020/7/20,25,2020/7/20,26,类似的情况也发生在
10、将少量的月桂酸异丙醇胺加入月桂酸钠的水溶液中，也会明显地提高月桂酸钠水溶液产生的泡沫的稳定性。,2020/7/20,27,(2)界面膜的弹性（非强度）,表面粘度比较高而且弹性好才有高的稳泡性能,例如，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。,2020/7/20,28,3，表面活性剂的自修复作用,将一小针刺入肥皂膜，肥皂膜可以不破，表明肥皂膜有自修复作用。,Marangoni认为当泡沫受到外力冲击或扰动时，液膜会发生局部变薄使液膜面积增大，导致表面活性剂的浓度降低引起此
11、处的表面张力暂时升高，,2020/7/20,29,2020/7/20,30,由于A处的表面活性剂浓度低，所以表面活性剂由B处向A处扩散使A处的表面活性剂浓度恢复，表面活性剂在迁移过程中同时也携带邻近的液体一起移动使其A处的液膜又恢复原来的厚度。表面活性剂的这种阻碍液膜排液的自修复作用称为Marangoni效应， 应还有附加压力的效应,2020/7/20,31,2020/7/20,32,形成局部的表面张力梯度，因此液膜会产生收缩趋势，尤如液膜具有了弹性。通过收缩使该处表面活性剂浓度恢复并且能阻碍液膜的排液流失。把液膜这种可以收缩的性质称为Gibbs弹性。,Gibbs从另一角度分析了这一问题，当吸
12、附了表面活性剂的泡沫受到震动、尘埃碰撞、气流冲击及液膜受重力作用排液时，都会引起液膜局部变薄，使液膜面积增大引起此处表面活性剂的浓度降低表面张力上升，,2020/7/20,33,正是这种因表面张力梯度引起的收缩效应 使吸附了表面活性剂的液膜，在受到冲击后， 产生自动修补液膜变薄处，表现出表面活性 剂的自修复作用。,Gibbs用下式来表示膜弹性：,E 膜弹性； A 膜面积； 表面张力 T 温度 ; N 组分,2020/7/20,34,2020/7/20,35,*表面活性剂的浓度对其自修复作用 有一定的影响。,（）若表面活性剂的浓度太高，液膜变形区表面活性剂的补充往往是从垂直方向补充，于是液膜变形
13、区表面活性剂的浓度可以恢复，但液膜的厚度却无法恢复。这样的液膜机械强度差，这就是表面活性剂的浓溶液为什么泡沫稳定性差的原因。,2020/7/20,36,（2）表面活性剂的浓度太稀，则液膜表面的表面活性剂浓度低，当液膜变形伸长时液膜表面的表面活性剂浓度变化不大，表面张力降也不大，dd值小，液膜弹性低自修复作用就差，泡沫稳定性也差。,泡沫最稳定的浓度是在某一浓度时取得dd极大值时的浓度，表面活性剂在这一浓度所产生的泡沫是最稳定的。一般其浓度不要超过CMC太多。,2020/7/20,37,4表面电荷,若泡沫液膜的表面上带有同种电荷，当液膜受到挤压，气流冲击或重力排液使液膜变薄，当液膜薄到一定程度大约
14、为lOOnm时，就会产生静电斥力作用阻止液膜排液继续减薄，延缓液膜变薄的过程使泡沫稳定。,2020/7/20,38,2020/7/20,39,2020/7/20,40,5泡内气体的扩散,气体的扩散有两个途径，小泡内气体向大泡扩散及表面泡内气体向大气排气。,事实证明，泡沫的排气性与液膜的粘度有关，液膜的表面粘度高，气体的相对透过率就低，气泡的排气速度慢，泡沫就稳定。,2020/7/20,41,SAA吸附于泡沫的液膜上形成紧密排 列的双分子吸附膜使液膜的表面粘度升高，特别是加入助泡剂后使液膜的透气性明显降低，阻止了泡沫气泡的排气。具有良好的稳泡作用。,6表面活性剂的分子结构,表面活性剂的分子结构对
15、泡沫的稳定性起很大作用。,2020/7/20,42,(1)表面活性基的疏水链,为了使液膜须具有高粘度，SAA就必须在液膜表面形成紧密的吸附膜，因此SAA的疏水碳氢链应该是直链且较长的碳链，但碳链太长也会影响起泡剂的溶解度且刚性太强，所以一般起泡剂的碳原子数以C12C14较好，,2020/7/20,43,c12和c14的月桂酸钠和豆蔻酸钠其碳链长度适中，能形成粘度较高且粘度适中的表面膜因此产生的泡沫稳定性好。,(2)表面活性剂的亲水基,SAA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，因此就会将液膜中的流动性强的自由水变成流动性差的束缚水，同时也提高液膜的粘度和弹性，减弱了重力排液使液膜
16、变薄，从而增加了泡膜的稳定性。,2020/7/20,44,实验证明，直链阴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，因此有很好的稳泡性能。而非离子表面活性剂的亲水基聚氧乙烯醚（仅有）在水中呈曲折型结构不能形成紧密排列的吸附膜加之水化性能差，又不能形成电离层所以稳泡性能差，不能形成稳定的泡沫。,2020/7/20,45,第三节 起泡剂与稳泡剂,一、起泡剂 起泡性能好的物质称为起泡剂。具有低表面张力的阴离子表面活性剂一般都具有良好的起泡性，但生成的泡沫不一定有持久性。起泡剂大约有以下几种：,1羧酸类 (1)脂肪酸钠(肥皂),2020/7/20,46,发泡力强，具有优良的抗硬水性和钙皂分散能力度和介质pH值的影响。,脂肪醇聚氧乙烯羧酸钠(AEC),（2）邻苯二甲酸单脂肪醇酯钠盐,白色膏状流体，表面活性好，发泡性好 皂分散性强，常用于日化及工业应用领域作为高效发泡剂。,2020/7/20,47,2硫酸盐类 (1)脂肪醇硫酸盐,(2)烷基醇聚氧乙烯硫酸钠(AES) 起泡力强，常用作液体洗涤剂的起泡剂,(3)烷基酚聚氧乙烯醚硫酸钠 泡沫丰富常用干净洗剂中,(4)
