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表面活性劑濃度增加時(shí)產(chǎn)生大量泡沫的消泡方法

文章出處:責(zé)任編輯:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2021-03-16 13:27【

當(dāng)空氣進(jìn)入到液體中時(shí),由于其不溶于水,當(dāng)有外力作用時(shí)便會(huì)被液體分隔成許多的氣泡,形成一種不均勻的體系。當(dāng)空氣進(jìn)入液體形成泡沫的之后,氣體和液體的接觸面積增加,體系的自由能也隨之而增加。

 

圖 1-1 表明,當(dāng)表面活性劑濃度增加的時(shí)候,在開始階段體系的表面張力會(huì)迅速降低,但隨著表面活性劑濃度的進(jìn)一步增加,體系的表面張力不再發(fā)生變化,達(dá)到一種平衡狀態(tài)。Milles 和 Shedlovsky 通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,圖像中最低點(diǎn)的異常是可能是由于體系中所含的雜質(zhì)引起的,或者多種表面活性劑之間發(fā)生相互作用而導(dǎo)致的。圖1-1 中的最低點(diǎn)就是我們平時(shí)所說的臨界膠束濃度。因此,當(dāng)表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí),體系中就會(huì)有非常多的表面活性劑,這些表面活性劑足夠在液面上緊密排列,形成一層沒有空隙的單分子膜層,從而將體系的表面張力降到最低。當(dāng)表面張力變小時(shí),體系產(chǎn)生泡沫所需要的自由能就會(huì)降低,這將會(huì)導(dǎo)致泡沫很容易產(chǎn)生。

在實(shí)際的生產(chǎn)使用過程中,為了使制備的乳液能夠穩(wěn)定貯存,我們往往將表面活性劑的濃度調(diào)到臨界膠束濃度之上。這樣做雖然有利于乳液的穩(wěn)定性,但也存在一定的負(fù)面影響。因?yàn)檫^多的表面活性劑不僅使體系的表面張力降到了最低,而且多余的表面活性劑會(huì)將進(jìn)入乳液的空氣包圍起來,形成一層比較堅(jiān)固的液膜,在液體表面則形成雙分子膜層,非常不利于泡沫的消除,如圖 1-2 所示。

泡沫是很多氣泡的集合體,而氣泡則是氣體分散在液體中形成的,氣體充當(dāng)分散相,液體充當(dāng)連續(xù)相。氣泡中的氣體可能會(huì)從一個(gè)氣泡跑到另一個(gè)氣泡中,也可能從體系中轉(zhuǎn)移到臨近的大氣中,這就是氣泡的合并與消失。

對(duì)于單一的水或者表面活性劑來說,由于其組成上比較均勻,因?yàn)楫a(chǎn)生的泡沫膜壁沒有彈性,所以泡沫不穩(wěn)定,很容易自己消除掉。熱力學(xué)理論認(rèn)為純液體產(chǎn)生的泡沫只是暫時(shí)的,泡沫會(huì)因?yàn)槟さ呐乓鹤饔枚?,其過程如圖 1-3 所示:


正如前面所提到的,在水性涂料中,不僅有分散介質(zhì)水,還有用來乳化聚合物的乳化劑以及分散劑、潤(rùn)濕劑、增稠劑等表面活性類涂料助劑,正因?yàn)檫@些物質(zhì)同時(shí)存在于一個(gè)體系當(dāng)中,因此體系中很容易產(chǎn)生泡沫,而且這些表面活性類的物質(zhì)還將對(duì)產(chǎn)生的泡沫起到穩(wěn)定作用,如圖 1-4 所示。


(1)泡沫產(chǎn)生之后,在分子間力的作用之下,表面活性劑會(huì)被吸附到氣泡的膜壁上,親水基伸向起跑外面的乳液中,憎水基則伸向氣泡里面的空氣中,從而在氣泡與乳液的氣液界面上有規(guī)律的形成了一個(gè)具有彈性的膜層,從而抑制了泡沫膜壁的破裂。在泡沫形成之后,氣泡膜壁上的液體會(huì)在重力作用下開始向氣泡底部流動(dòng),這樣就會(huì)導(dǎo)致氣泡的局部膜壁變薄。當(dāng)液膜變薄時(shí),氣泡存在兩種機(jī)制使其液膜能夠自修復(fù)。一種修復(fù)機(jī)制為:當(dāng)液膜變薄之后,由于液膜的面積增加而使表面張力升高,因此而出現(xiàn)的表面張力梯度使液膜具有收縮的效果,此即 Gibbs 彈性收縮,如圖 1-5。另一種修復(fù)機(jī)制為:出現(xiàn)表面張力梯度以后,氣泡膜壁表面所吸附的表面活性劑分子由表面張力較低的區(qū)域向表面張力較高的區(qū)域移動(dòng),以使表面張力保持平衡,此即Marangoni 效應(yīng)。在這兩種效應(yīng)的共同作用下,泡沫穩(wěn)定存在。


(2)當(dāng)使用的乳化劑為離子型時(shí),氣泡的膜壁就會(huì)帶有電荷,由于電荷之間存在較大的斥力,氣泡之間因?yàn)榇嬖谳^大的電荷斥力就不會(huì)聚集,抑制了小泡變大泡然后在消除的過程。因此對(duì)泡沫的消除不利,穩(wěn)定了泡沫,如圖 1-6 所示。


(3)當(dāng)使用的乳化劑其分子鏈較長(zhǎng)時(shí),分子鏈之間的引力作用比較強(qiáng)烈,氣泡的膜壁因此而彈性比較好,機(jī)械強(qiáng)度比較大,不容易破裂,從而抑制了泡沫的消除,穩(wěn)定了泡沫。

(4)為了提高水性涂料的粘度,通常會(huì)向體系中加入增稠劑,粘度增加以后氣泡間液體的流動(dòng)就會(huì)受阻,氣泡膜壁就很難變薄,氣泡膜壁的破裂受阻。可見粘度的增加也會(huì)起到穩(wěn)定泡沫的作用,對(duì)于消泡十分不利。

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