影响引气剂溶液气泡性能及稳定的因素
影响泡沫稳定性的因素很复杂,大致分析以下几个主要因素。
(1)表面张力
在形成泡沫时,液体表面积增加,体系能量随之增加;反之亦然。从能量角度考虑,降低液体表面张力,有利于泡沫的形成,但不能保证泡沫具有良好的稳定性,很多研究证明只有当表面膜有一定强度,能形成多面体泡沫时,低表面张力才有助于泡沫的稳定。
(2)表面黏度
表面黏度是指液体表面单分子层内的黏度。这种黏度主要是表面活性剂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。皂苷、蛋白质及其他类似物质的分子间,除范德华力外,分子间的羟基、氨基和羚基之间有形成氢键的能力,因而有很高的表面贴度,形成很稳定的泡沫。
实践证明,起泡剂溶液中加入某些少量有机物质,可提高泡沫的稳定性。其主要原因是起泡剂的亲水基团可与有机物质形成氢键,减弱了亲水基间的电荷斥力,使得疏水基密度增加,气体透过性降低,延长了泡沫的寿命。
(3)溶液黏度
溶液黏度的增加,延长了泡沫重力排液松池时间、气体扩散松弛时间及泡沫的半衰期。
起泡剂溶液黏度的增加,既使液膜内液体不容易流失,又使气体在液膜中的溶解度降低。但液相黏度仅为辅助因素,若不形成表面膜,液相黏度再高,也不能形成稳定的泡沫。
(4)Gibbs-Marangoni表面弹性效应
泡沫受到冲击时,液膜局部变薄,表面积增加,起泡剂分子密度减小,表面张力增大。
在形成的表面张力梯度作用下,起泡剂分子沿表面扩张并拖带着相当量的液膜下的溶液,使局部变薄的液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液膜扩散并恢复到原来的表面张力,需要一定的时间,这就是Marangoni效应。显然,加入表面活性剂前后,表面张力变化越大,形成的表面张力梯度越大,Gibbs-Marangoni效应也就越显著,泡沫的修复能力就越强。表面弹性有助于液膜厚度保持均匀,当表面活性剂溶液浓度较高时,因溶液中的活性剂迅速扩散到表面,使局部的表面张力梯度消失越快,越容易引起泡沫的破裂。
(5)液膜的表面电荷
离子型表面活性剂的液膜中,反离子不能中和表面活性剂同侧的吸附电荷,而在液膜中形成扩散层。膜厚度变得近于扩散层厚度时,液膜两侧吸附电荷产生的斥力(分离压)阻止膜的变薄,有利于泡沫的稳定性,这种分离压可因溶液中电解质浓度的增加而显著减弱,多价离子影响特别显著,液膜薄化速率加快,泡沫容易破裂。加入适量低价离子化合物,可使吸附的活性剂分子头基间斥力降低,因而有助于增强液膜的稳定性。
(6)泡沫质量
泡沫质量是泡沫中气体所占泡沫总体积的百分比。Minssieux认为泡沫质量对其稳定性有决定性影响,这种影响随着泡沫衰变的主要机理不同而异。以排液为主要衰变机理的泡沫,其稳定性随泡沫质量的增加而增加,以气体扩散为主要衰变机理的泡沫,其泡沫稳定性随泡沫质量增加而降低。前者,因泡沫质量提高,起泡半径变小,液膜变薄,排液速率降低;后者,由于泡沫质量增加,加速了气体扩散速率,泡沫变得不稳定。
(7)气体的溶解度和渗透率
研究发现,气体扩散使泡沫破灭的速率,与气体在液相中的溶解度和扩散系数之乘积成正比。由于气体在液相中溶解度和扩散系数越大,从小泡向大泡的扩散就越快,从而加速了泡沫的衰变过程。
(8)压力和气泡大小分布
泡沫在不同压力下稳定性不同,压力越大,泡沫越稳定。而单位时间内泡沫数量的减小与最初气泡大小分布频率有关,气泡分布越窄,越均匀,泡沫越稳定,因此,欲获得稳定泡沫,应尽量使泡沫的气泡半径分布窄一些。
(9)温度和表面活性剂的溶解度
大多数情况下,泡沫稳定性随温度增高而下降,在低温和高温下泡沫的衰变过程不同:低温下,泡沫排液使液膜达到一定厚度时,就呈现亚稳状态,其衰变机理主要是气体扩散;在高温下,泡沫破灭由泡沫柱顶端开始,泡沫体积随时间增长有规律的减小。其原因是:最上面的液膜上侧,总是向上凸的,这种弯曲膜对蒸发作用很敏感,温度越高蒸发越快,膜变薄到一定厚度,就自行破灭。因此,多数泡沫在高温时是不稳定的。
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