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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 瀏覽 235 次 發(fa)布時間:2024-02-19

泡(pao)(pao)(pao)沫在(zai)洗滌過程(cheng)中起著(zhu)重要的作(zuo)用。泡(pao)(pao)(pao)沫是指氣體(ti)分(fen)散(san)在(zai)液體(ti)或固體(ti)中的分(fen)散(san)體(ti)系,氣體(ti)為(wei)分(fen)散(san)相,液體(ti)或固體(ti)為(wei)分(fen)散(san)介質,前者稱(cheng)為(wei)液體(ti)泡(pao)(pao)(pao)沫,而后者稱(cheng)為(wei)固體(ti)泡(pao)(pao)(pao)沫,如泡(pao)(pao)(pao)沫塑料,泡(pao)(pao)(pao)沫玻(bo)璃,泡(pao)(pao)(pao)沫水(shui)泥等。


(1)泡沫的形成


我們這里所說(shuo)的(de)泡(pao)沫,是指(zhi)被液(ye)體薄膜隔開的(de)氣泡(pao)的(de)聚集物(wu)。這種(zhong)泡(pao)沫由于分(fen)散相(xiang)(氣體)和分(fen)散介(jie)質(液(ye)體)的(de)密度相(xiang)差較大,加之液(ye)體的(de)黏(nian)度低,因此氣泡(pao)總(zong)是能很快地升到液(ye)面(mian)。


形(xing)成泡(pao)(pao)沫的過程是(shi)將大量氣(qi)(qi)體帶入液體,液體中的氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)又很快(kuai)返回(hui)到(dao)液面(mian),形(xing)成由(you)少量液氣(qi)(qi)隔開的氣(qi)(qi)泡(pao)(pao)聚集體


泡(pao)(pao)沫(mo)在(zai)形(xing)態(tai)上具有兩個顯著的(de)(de)(de)(de)特點(dian):其一(yi)(yi)是(shi)(shi)(shi)作為(wei)分(fen)散相的(de)(de)(de)(de)氣(qi)泡(pao)(pao)常常是(shi)(shi)(shi)呈多面體形(xing)狀,這是(shi)(shi)(shi)因為(wei)在(zai)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)相交(jiao)處,有一(yi)(yi)種液(ye)膜變(bian)薄(bo)的(de)(de)(de)(de)趨勢使氣(qi)泡(pao)(pao)成(cheng)為(wei)多面體,當液(ye)膜變(bian)薄(bo)到一(yi)(yi)定程度,則導致(zhi)氣(qi)泡(pao)(pao)破裂;其二是(shi)(shi)(shi),純凈液(ye)不能形(xing)成(cheng)穩定的(de)(de)(de)(de)泡(pao)(pao)沫(mo),能形(xing)成(cheng)泡(pao)(pao)沫(mo)的(de)(de)(de)(de)液(ye)體,至少是(shi)(shi)(shi)兩個以上的(de)(de)(de)(de)組分(fen)。表面活性(xing)劑(ji)的(de)(de)(de)(de)水(shui)溶液(ye)是(shi)(shi)(shi)典型的(de)(de)(de)(de)易(yi)產生泡(pao)(pao)沫(mo)的(de)(de)(de)(de)體系,其生成(cheng)泡(pao)(pao)沫(mo)的(de)(de)(de)(de)能力與其他性(xing)能也有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)關系。


起泡(pao)(pao)(pao)力好(hao)的(de)表(biao)面活性(xing)劑(ji)稱(cheng)為(wei)起泡(pao)(pao)(pao)劑(ji)。起泡(pao)(pao)(pao)劑(ji)盡管具有良(liang)(liang)好(hao)的(de)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)(mo)能力,但形成的(de)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)(mo)不(bu)一定(ding)能維持較長的(de)時間(jian),即其穩(wen)定(ding)性(xing)不(bu)一定(ding)良(liang)(liang)好(hao)。為(wei)了保持泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)(mo)的(de)穩(wen)定(ding),常(chang)在(zai)起泡(pao)(pao)(pao)劑(ji)中加(jia)入能增加(jia)泡(pao)(pao)(pao)沫(mo)(mo)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)物質(zhi),這(zhe)種物質(zhi)稱(cheng)為(wei)穩(wen)泡(pao)(pao)(pao)劑(ji),常(chang)用(yong)的(de)穩(wen)泡(pao)(pao)(pao)劑(ji)有月(yue)桂酰(xian)二(er)乙醇胺(an)和(he)十二(er)烷基二(er)甲(jia)基胺(an)的(de)氧(yang)化物。


(2)泡沫的穩定性


泡(pao)沫是(shi)一種熱力(li)學(xue)不穩定體(ti)(ti)系,最后的趨勢(shi)是(shi)破泡(pao)之后體(ti)(ti)系內液體(ti)(ti)的總表面積減小,自由能降(jiang)低。消泡(pao)過程(cheng)就是(shi)隔(ge)開氣體(ti)(ti)的液膜由厚變薄,直至破裂(lie)的過程(cheng)。因此,泡(pao)沫的穩定程(cheng)度(du)主要是(shi)由排液快(kuai)慢和(he)液膜的強度(du)決定的。其影(ying)響(xiang)因素還(huan)有(you)以下幾(ji)種。

①表面張力


從能量觀點考慮(lv),低表(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)對(dui)于泡沫的(de)形成比較有(you)利,但不能保證泡沫穩定(ding)。表(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)低,壓(ya)差小,排液(ye)速度變(bian)(bian)慢(man),液(ye)膜變(bian)(bian)薄較慢(man),有(you)利于泡沫的(de)穩定(ding)。


②表面黏度


決(jue)定泡(pao)(pao)沫(mo)(mo)穩定性的(de)關鍵因(yin)素在(zai)于液膜強度(du)(du),而液膜強度(du)(du)主要決(jue)定于表(biao)(biao)面(mian)吸附膜的(de)堅固性,以表(biao)(biao)面(mian)黏度(du)(du)為其量度(du)(du)。實(shi)驗(yan)證明,表(biao)(biao)面(mian)黏度(du)(du)較大(da)的(de)溶液所生成的(de)泡(pao)(pao)沫(mo)(mo)壽命(ming)較長。這是因(yin)為表(biao)(biao)面(mian)吸附分(fen)子間的(de)相互作用導致膜強度(du)(du)增大(da),從(cong)而提高泡(pao)(pao)沫(mo)(mo)的(de)壽命(ming)。


③溶液黏度


當液(ye)體(ti)本身的黏度(du)增(zeng)大時,液(ye)膜中的液(ye)體(ti)不易排(pai)出,液(ye)膜厚度(du)變(bian)薄的速度(du)較慢,延緩了(le)液(ye)膜破裂(lie)的時間(jian),增(zeng)加了(le)泡沫的穩定性。


④表面(mian)張力的(de)“修復”作用


表(biao)(biao)(biao)面(mian)活性劑吸附(fu)于(yu)(yu)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)液膜(mo),有(you)反抗液膜(mo)表(biao)(biao)(biao)面(mian)擴張(zhang)或收縮的(de)(de)(de)能力(li)(li),我們將(jiang)這(zhe)一能力(li)(li)稱為(wei)修復作用。這(zhe)是因(yin)為(wei)有(you)表(biao)(biao)(biao)面(mian)活性劑在表(biao)(biao)(biao)面(mian)上吸附(fu)的(de)(de)(de)液膜(mo),擴張(zhang)其表(biao)(biao)(biao)面(mian)積(ji)將(jiang)降低表(biao)(biao)(biao)面(mian)吸附(fu)分(fen)子的(de)(de)(de)濃度,增大表(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)。進一步(bu)擴大表(biao)(biao)(biao)面(mian)將(jiang)需(xu)要(yao)做更(geng)大的(de)(de)(de)功。反之表(biao)(biao)(biao)面(mian)積(ji)收縮將(jiang)增加表(biao)(biao)(biao)面(mian)吸附(fu)分(fen)子的(de)(de)(de)濃度,即(ji)減小表(biao)(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li),不利于(yu)(yu)進一步(bu)的(de)(de)(de)收縮。


⑤氣體通(tong)過液膜的(de)擴散


由(you)于毛(mao)細壓(ya)力(li)的(de)存在,泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫中(zhong)小泡(pao)(pao)(pao)(pao)的(de)壓(ya)力(li)要比(bi)大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)壓(ya)力(li)高,會造成(cheng)小泡(pao)(pao)(pao)(pao)中(zhong)的(de)氣體透過液膜擴散到低壓(ya)的(de)大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)中(zhong),造成(cheng)小泡(pao)(pao)(pao)(pao)變(bian)小,大(da)泡(pao)(pao)(pao)(pao)變(bian)大(da),最終泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫破(po)裂的(de)現象。如(ru)果(guo)加入表面(mian)活性(xing)劑,發泡(pao)(pao)(pao)(pao)時則可使(shi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫均勻細密,不易消(xiao)泡(pao)(pao)(pao)(pao)。由(you)于表面(mian)活性(xing)劑緊(jin)密排列在液膜上(shang),透氣困難,而使(shi)泡(pao)(pao)(pao)(pao)沫更(geng)加穩定。


⑥表(biao)面電荷的影響


如果(guo)泡沫液(ye)膜(mo)帶有相(xiang)同符號的(de)電(dian)荷,液(ye)膜(mo)兩個(ge)表(biao)面將互相(xiang)排斥(chi),防止了液(ye)膜(mo)變(bian)薄(bo)乃至破(po)壞(huai)。離(li)子型表(biao)面活(huo)性(xing)劑可起這(zhe)種穩定作(zuo)用。


綜上所述,液(ye)(ye)(ye)膜(mo)強度是(shi)決定泡沫(mo)穩(wen)定性(xing)的(de)關鍵因(yin)素。作為起泡劑(ji)和穩(wen)泡劑(ji)的(de)表面(mian)(mian)活性(xing)劑(ji),其表面(mian)(mian)吸附(fu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)排列的(de)緊密性(xing)和牢固性(xing)是(shi)最重要的(de)因(yin)素。表面(mian)(mian)吸附(fu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)相互作用強時,吸附(fu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)排列結(jie)構(gou)緊密,這不(bu)僅使(shi)表面(mian)(mian)膜(mo)本身具有較高的(de)強度,而且因(yin)表面(mian)(mian)黏(nian)度較高使(shi)鄰(lin)近表面(mian)(mian)膜(mo)的(de)溶液(ye)(ye)(ye)不(bu)易流動,液(ye)(ye)(ye)膜(mo)排液(ye)(ye)(ye)相對困難,液(ye)(ye)(ye)膜(mo)的(de)厚度易于維持。此外,排列緊密的(de)表面(mian)(mian)分(fen)(fen)子(zi)(zi)還(huan)能減低氣體分(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)透過性(xing)從而也可增加泡沫(mo)的(de)穩(wen)定性(xing)。


(3)泡沫的破壞


破壞泡(pao)(pao)沫的基本原(yuan)則就是改變產生泡(pao)(pao)沫的條件或(huo)消除泡(pao)(pao)沫的穩定因(yin)素,因(yin)而有物理和化(hua)學兩種消泡(pao)(pao)方(fang)法。 


物理消泡(pao)就(jiu)是(shi)在維持泡(pao)沫溶液的(de)化學(xue)成分不變的(de)情況下改變泡(pao)沫產(chan)生的(de)條件,如(ru)外力(li)的(de)擾動﹑溫(wen)度或壓力(li)的(de)改變以及超聲處理等都(dou)是(shi)消除泡(pao)沫的(de)有(you)效物理方法。


化學消泡(pao)(pao)法(fa)是加入(ru)某(mou)些物(wu)質與起(qi)泡(pao)(pao)劑(ji)(ji)發生作(zuo)用,降低(di)泡(pao)(pao)沫(mo)中液膜的(de)強度(du)進而降低(di)泡(pao)(pao)沫(mo)的(de)穩定性以達到(dao)消泡(pao)(pao)的(de)目(mu)的(de),這(zhe)樣(yang)的(de)物(wu)質稱為消泡(pao)(pao)劑(ji)(ji)。消泡(pao)(pao)劑(ji)(ji)大多數為表面(mian)活性劑(ji)(ji)。因此根(gen)據(ju)消泡(pao)(pao)的(de)作(zuo)用機理,消泡(pao)(pao)劑(ji)(ji)應(ying)當具有較(jiao)強的(de)降低(di)表面(mian)張力(li)的(de)能力(li),容(rong)易吸附(fu)在表面(mian)上,且表面(mian)吸附(fu)分子間的(de)相互作(zuo)用較(jiao)弱,吸附(fu)分子排列結構(gou)較(jiao)為疏(shu)松(song)。


消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)的種(zhong)類(lei)多種(zhong)多樣,但基(ji)本上都(dou)為非離子表面活(huo)性(xing)劑(ji)。非離子表面活(huo)性(xing)劑(ji)在其濁(zhuo)點附近或濁(zhuo)點以上時具有防泡(pao)(pao)性(xing)能,常用作消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)。醇類(lei),特別是有分支結構的醇﹑脂肪酸(suan)及脂肪酸(suan)酯(zhi)﹑多酰(xian)胺﹑磷酸(suan)酯(zhi)﹑硅(gui)油等也是常用的優(you)良消(xiao)泡(pao)(pao)劑(ji)。