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泡沫是怎么形成的?表面張力如何影響泡沫的穩定性

來源:濟(ji)南潤禾生物 瀏(liu)覽 237 次 發布時間:2024-02-19

泡(pao)(pao)沫(mo)在(zai)洗滌過程中起(qi)著重(zhong)要的作用。泡(pao)(pao)沫(mo)是指(zhi)氣(qi)體(ti)分(fen)(fen)(fen)(fen)散在(zai)液(ye)(ye)體(ti)或(huo)固(gu)(gu)體(ti)中的分(fen)(fen)(fen)(fen)散體(ti)系,氣(qi)體(ti)為(wei)分(fen)(fen)(fen)(fen)散相,液(ye)(ye)體(ti)或(huo)固(gu)(gu)體(ti)為(wei)分(fen)(fen)(fen)(fen)散介質,前者稱為(wei)液(ye)(ye)體(ti)泡(pao)(pao)沫(mo),而后者稱為(wei)固(gu)(gu)體(ti)泡(pao)(pao)沫(mo),如泡(pao)(pao)沫(mo)塑(su)料,泡(pao)(pao)沫(mo)玻璃(li),泡(pao)(pao)沫(mo)水泥(ni)等。


(1)泡沫的形成


我們這里所說(shuo)的(de)泡沫(mo),是指(zhi)被液體(ti)薄膜隔開的(de)氣(qi)(qi)泡的(de)聚集物。這種(zhong)泡沫(mo)由于分散(san)相(氣(qi)(qi)體(ti))和分散(san)介質(液體(ti))的(de)密(mi)度(du)相差較大(da),加之液體(ti)的(de)黏度(du)低(di),因此氣(qi)(qi)泡總是能(neng)很快地升到液面。


形(xing)成泡沫(mo)的過程是(shi)將(jiang)大量(liang)氣(qi)體(ti)帶(dai)入液(ye)體(ti),液(ye)體(ti)中的氣(qi)泡又很快(kuai)返(fan)回到(dao)液(ye)面,形(xing)成由少量(liang)液(ye)氣(qi)隔開的氣(qi)泡聚(ju)集體(ti)


泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)在形(xing)(xing)態上具有兩個顯著(zhu)的特點:其(qi)(qi)一(yi)是(shi)作為(wei)分散相(xiang)的氣泡(pao)(pao)(pao)常常是(shi)呈多面體(ti)形(xing)(xing)狀,這(zhe)是(shi)因為(wei)在氣泡(pao)(pao)(pao)的相(xiang)交處,有一(yi)種(zhong)液(ye)(ye)膜(mo)變薄的趨勢使氣泡(pao)(pao)(pao)成(cheng)為(wei)多面體(ti),當液(ye)(ye)膜(mo)變薄到一(yi)定程度,則(ze)導致氣泡(pao)(pao)(pao)破(po)裂;其(qi)(qi)二是(shi),純(chun)凈液(ye)(ye)不(bu)能形(xing)(xing)成(cheng)穩定的泡(pao)(pao)(pao)沫(mo),能形(xing)(xing)成(cheng)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)的液(ye)(ye)體(ti),至少是(shi)兩個以上的組分。表面活性(xing)劑的水溶液(ye)(ye)是(shi)典型的易產生(sheng)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)的體(ti)系,其(qi)(qi)生(sheng)成(cheng)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)的能力(li)與其(qi)(qi)他(ta)性(xing)能也(ye)有一(yi)定的關(guan)系。


起泡(pao)(pao)(pao)(pao)力好的(de)表面活(huo)性劑(ji)稱為起泡(pao)(pao)(pao)(pao)劑(ji)。起泡(pao)(pao)(pao)(pao)劑(ji)盡管具有(you)良(liang)好的(de)泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫能(neng)力,但形成的(de)泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫不(bu)(bu)一(yi)定(ding)能(neng)維持較(jiao)長(chang)的(de)時間(jian),即其穩定(ding)性不(bu)(bu)一(yi)定(ding)良(liang)好。為了保持泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫的(de)穩定(ding),常在(zai)起泡(pao)(pao)(pao)(pao)劑(ji)中加入能(neng)增(zeng)加泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫穩定(ding)性的(de)物(wu)(wu)(wu)質(zhi),這(zhe)種物(wu)(wu)(wu)質(zhi)稱為穩泡(pao)(pao)(pao)(pao)劑(ji),常用的(de)穩泡(pao)(pao)(pao)(pao)劑(ji)有(you)月桂酰二乙醇胺(an)和十二烷(wan)基二甲(jia)基胺(an)的(de)氧(yang)化物(wu)(wu)(wu)。


(2)泡沫的穩定性


泡(pao)(pao)沫是(shi)(shi)一種熱(re)力學不穩定體(ti)系,最后的(de)(de)趨勢是(shi)(shi)破泡(pao)(pao)之后體(ti)系內液(ye)體(ti)的(de)(de)總表面積減小,自由(you)能降(jiang)低。消泡(pao)(pao)過(guo)程就(jiu)是(shi)(shi)隔(ge)開氣體(ti)的(de)(de)液(ye)膜(mo)由(you)厚變薄(bo),直至破裂(lie)的(de)(de)過(guo)程。因此(ci),泡(pao)(pao)沫的(de)(de)穩定程度主(zhu)要是(shi)(shi)由(you)排(pai)液(ye)快慢和液(ye)膜(mo)的(de)(de)強度決定的(de)(de)。其影(ying)響因素(su)還有(you)以下幾(ji)種。

①表面張(zhang)力(li)


從能量觀點考慮,低表(biao)面張力對(dui)于(yu)泡(pao)沫(mo)的(de)形成比較(jiao)(jiao)有(you)利,但不(bu)能保(bao)證泡(pao)沫(mo)穩定。表(biao)面張力低,壓差小,排液速度變慢(man),液膜變薄較(jiao)(jiao)慢(man),有(you)利于(yu)泡(pao)沫(mo)的(de)穩定。


②表面黏度(du)


決(jue)定(ding)泡沫(mo)穩定(ding)性的關鍵(jian)因素在于(yu)(yu)液(ye)(ye)膜(mo)強度(du),而液(ye)(ye)膜(mo)強度(du)主要決(jue)定(ding)于(yu)(yu)表面(mian)吸附(fu)膜(mo)的堅固性,以表面(mian)黏度(du)為其(qi)量度(du)。實驗證明,表面(mian)黏度(du)較(jiao)大的溶液(ye)(ye)所生成的泡沫(mo)壽(shou)命較(jiao)長。這是因為表面(mian)吸附(fu)分子間(jian)的相互作用導(dao)致(zhi)膜(mo)強度(du)增大,從而提高泡沫(mo)的壽(shou)命。


③溶液黏度


當液(ye)(ye)體(ti)(ti)本身的(de)黏(nian)度(du)增大(da)時,液(ye)(ye)膜(mo)中(zhong)的(de)液(ye)(ye)體(ti)(ti)不易(yi)排出,液(ye)(ye)膜(mo)厚度(du)變薄的(de)速(su)度(du)較慢,延緩了(le)液(ye)(ye)膜(mo)破裂(lie)的(de)時間,增加(jia)了(le)泡沫的(de)穩(wen)定(ding)性。


④表面張力的(de)“修(xiu)復”作(zuo)用


表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)吸(xi)(xi)附于表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)液(ye)(ye)膜(mo)(mo),有反抗液(ye)(ye)膜(mo)(mo)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)擴(kuo)張(zhang)或收(shou)縮的(de)能力(li),我們將(jiang)這一(yi)能力(li)稱為修復作用。這是(shi)因(yin)為有表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)在表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)上吸(xi)(xi)附的(de)液(ye)(ye)膜(mo)(mo),擴(kuo)張(zhang)其表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)積將(jiang)降(jiang)低(di)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)吸(xi)(xi)附分子的(de)濃度,增(zeng)大(da)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)。進(jin)一(yi)步(bu)(bu)擴(kuo)大(da)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)將(jiang)需要做更大(da)的(de)功(gong)。反之(zhi)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)積收(shou)縮將(jiang)增(zeng)加表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)吸(xi)(xi)附分子的(de)濃度,即減小表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li),不利于進(jin)一(yi)步(bu)(bu)的(de)收(shou)縮。


⑤氣體通過液膜的擴散(san)


由于毛細壓(ya)力(li)的(de)存在(zai),泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)中(zhong)(zhong)小泡(pao)(pao)(pao)的(de)壓(ya)力(li)要比大泡(pao)(pao)(pao)壓(ya)力(li)高,會造成小泡(pao)(pao)(pao)中(zhong)(zhong)的(de)氣(qi)體透(tou)過液膜擴散(san)到低壓(ya)的(de)大泡(pao)(pao)(pao)中(zhong)(zhong),造成小泡(pao)(pao)(pao)變(bian)小,大泡(pao)(pao)(pao)變(bian)大,最終泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)破裂的(de)現象。如果加(jia)入表(biao)面(mian)活性(xing)劑,發泡(pao)(pao)(pao)時則可使泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)均勻細密,不易(yi)消泡(pao)(pao)(pao)。由于表(biao)面(mian)活性(xing)劑緊密排列在(zai)液膜上,透(tou)氣(qi)困難(nan),而使泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)更(geng)加(jia)穩定。


⑥表面電荷的影響


如果泡(pao)沫液膜帶有相(xiang)同符號的電荷,液膜兩個表面(mian)將互相(xiang)排斥(chi),防止了液膜變薄乃至破壞。離子型表面(mian)活性劑可(ke)起(qi)這(zhe)種(zhong)穩(wen)定作用。


綜上(shang)所述,液(ye)膜(mo)(mo)強度是決定泡沫(mo)穩(wen)(wen)定性(xing)的(de)(de)關鍵因(yin)(yin)(yin)素。作為起泡劑(ji)和穩(wen)(wen)泡劑(ji)的(de)(de)表(biao)面(mian)活性(xing)劑(ji),其(qi)表(biao)面(mian)吸(xi)附(fu)分(fen)子(zi)(zi)排列(lie)(lie)的(de)(de)緊(jin)密性(xing)和牢固性(xing)是最重要的(de)(de)因(yin)(yin)(yin)素。表(biao)面(mian)吸(xi)附(fu)分(fen)子(zi)(zi)相互作用(yong)強時,吸(xi)附(fu)分(fen)子(zi)(zi)排列(lie)(lie)結構(gou)緊(jin)密,這不(bu)僅使表(biao)面(mian)膜(mo)(mo)本身具有較高(gao)的(de)(de)強度,而且因(yin)(yin)(yin)表(biao)面(mian)黏(nian)度較高(gao)使鄰近表(biao)面(mian)膜(mo)(mo)的(de)(de)溶液(ye)不(bu)易流動,液(ye)膜(mo)(mo)排液(ye)相對困難,液(ye)膜(mo)(mo)的(de)(de)厚度易于(yu)維持。此外,排列(lie)(lie)緊(jin)密的(de)(de)表(biao)面(mian)分(fen)子(zi)(zi)還能減低(di)氣體(ti)分(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)透過(guo)性(xing)從而也可增(zeng)加泡沫(mo)的(de)(de)穩(wen)(wen)定性(xing)。


(3)泡沫的破壞


破壞(huai)泡(pao)沫的基本原(yuan)則(ze)就是改變產生泡(pao)沫的條件或消除泡(pao)沫的穩(wen)定因素(su),因而有物(wu)理和化學兩種消泡(pao)方法。


物理消泡(pao)就是在維持(chi)泡(pao)沫溶液(ye)的(de)(de)化學(xue)成分不變(bian)的(de)(de)情況下改變(bian)泡(pao)沫產生的(de)(de)條件(jian),如外(wai)力的(de)(de)擾動﹑溫度或壓(ya)力的(de)(de)改變(bian)以(yi)及超(chao)聲處理等(deng)都是消除泡(pao)沫的(de)(de)有效(xiao)物理方(fang)法(fa)。 


化學消(xiao)泡(pao)(pao)法是加入某些物(wu)質與(yu)起泡(pao)(pao)劑(ji)發(fa)生(sheng)作(zuo)用(yong)(yong),降低泡(pao)(pao)沫中液膜(mo)的強(qiang)度進而降低泡(pao)(pao)沫的穩定性(xing)以達到消(xiao)泡(pao)(pao)的目的,這樣(yang)的物(wu)質稱為(wei)(wei)消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)。消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)大(da)多數為(wei)(wei)表面(mian)(mian)活性(xing)劑(ji)。因(yin)此根據消(xiao)泡(pao)(pao)的作(zuo)用(yong)(yong)機(ji)理,消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)應當具有較(jiao)強(qiang)的降低表面(mian)(mian)張力的能(neng)力,容(rong)易吸(xi)附(fu)在(zai)表面(mian)(mian)上,且表面(mian)(mian)吸(xi)附(fu)分子(zi)間的相互作(zuo)用(yong)(yong)較(jiao)弱(ruo),吸(xi)附(fu)分子(zi)排(pai)列結構較(jiao)為(wei)(wei)疏松。


消(xiao)泡(pao)(pao)劑的種類多種多樣(yang),但基本上都為非(fei)離子表面活性(xing)(xing)劑。非(fei)離子表面活性(xing)(xing)劑在其濁點附近或(huo)濁點以上時(shi)具有防泡(pao)(pao)性(xing)(xing)能,常用作(zuo)消(xiao)泡(pao)(pao)劑。醇(chun)類,特別(bie)是(shi)有分支結(jie)構的醇(chun)﹑脂肪酸及脂肪酸酯﹑多酰胺﹑磷酸酯﹑硅油等也是(shi)常用的優(you)良(liang)消(xiao)泡(pao)(pao)劑。