泡沫体系的理论分析与配方设计

理论框架

泡沫的产生原因

泡沫的产生与水的表面张力有密切联系。表面张力是物体受到拉力作用时,存在于其内部而垂直于两相邻部分接触面上的相互牵引力。水面的水分子间的相互吸引力比水分子于与空气之间的吸引力强。这些水分子就像被黏在一起一样。但如果水分子之间过度黏合在一起,泡泡就不易形成了,相反地,容易形成水滴。所以纯水并不容易产生泡泡。 一般仅靠纯液体要形成稳定的泡泡是很困难的,通常需加入其他物质,一般是表面活性物质,才能形成泡沫。比如使用肥皂可以“打破”水的表面张力,把表面张力降低到只有通常状况下的1/3。这些具有较好起泡性能的物质称为起泡剂。烷基硫酸钠和烷基苯磺酸钠都是很常用的起泡剂。有时还需要加入稳泡剂使已形成的泡沫更加稳定,月桂酰二乙醇胺即是一例,我们称之为稳泡剂。

泡沫的表面结构

泡沫的表面膜结构与细胞的细胞膜结构类似,这里采用后者的图像来说明:

图中上下表面的小分子即为表面活性剂,它们同时具有亲水端与疏水端,亲水端与水接触,疏水端与空气接触,以此组成泡沫的骨架,两层膜之间流动的是水。泡沫产生后,由于水可以在两层膜中间自由流动,因此会不断向底部流动,泡沫上部分的水不断减少,厚度越来越小,最终承受不了下方越来越大的重力,最终从顶部开始破裂。而用手戳的话,泡沫会从接触点开始破裂,这个过程如下图所示:

影响泡沫稳定性的因素

表面张力系数

随着泡沫的生成,液体表面积增大,表面能增高。根据Gibbs原理,体系总是趋向于较低的表面能状态。而低表面张力可使泡沫体系能量降低,有利于泡沫的稳定。同时,低的表面张力也是泡沫能够形成的主因。

表面粘度

表面粘度指气液界面上由于膜的存在而引起表面层粘度的变化。表面粘度与泡沫的稳定性密切相关,表面粘度越大,膜的粘度越大,膜之间的溶液流速越小,膜变薄的速度变慢,泡沫的寿命也会更长[3]。

溶液粘度

溶液粘度的增加,既使泡沫内液体不易流失,液膜变薄的速度变缓,又可以使气体在液膜中的溶解度降低,从而使稳定性增加。但溶液粘度仅为辅助因素,若不形成表面膜,溶液粘度再大,也不能形成稳定泡沫。因此,若体系中既有增高溶液粘度的物质,又有增高表面粘度的物质时,泡沫的稳定性可大大提高。

膜的机械强度

水与表面活性剂均属于小分子,形成的膜结构的稳定性很有限.为了弥补这一点,可以使用一些也具有亲水端与疏水端的大分子,如蛋白质,来加强膜结构的强度。但这必须与表面活性剂配合使用,因为蛋白质大分子从水中移至表面膜上的速度比较慢,需要先产生泡沫。

Gibbs表面弹性和Marangoni效应

泡沫的表面膜变薄时,有两种机制促使其复原。一种是Gibbs表面弹性,膜变薄伴随着表面积增大,造成表面张力上升,由此形成的表面张力梯度会使膜有收缩趋势。另一种是Marangoni效应,梯度作用下,表面活性剂沿着界面从低表面张力区向高表面张力区移动,使局部变薄的膜恢复均匀[5]。

更大更持久的泡沫

要实现这一目标,根据以上的分析,有三条路径:

表面张力

表面张力系数越小越好。根据Gibbs原理,表面能越高,体系越不稳定。当表面积一定或者增加时,表面张力的降低,表面能减小,且液膜间的压力减小,溶液流动速度变慢,稳定性增强。但是单纯的表面张力并不足以充分说明泡沫的稳定性,只有在膜结构达到一定强度时,表面张力越小,泡沫才越稳定。表面张力直接由起泡剂决定;

表面粘度

决定泡沫稳定性的关键因素是膜的机械强度,而膜的机械强度主要取决于表面吸附膜的坚固性,可以用膜溶液的表面粘度为其量度。因此表面粘度可用来表示泡沫的稳定性。表面粘度越大,膜的强度越大,泡沫也就稳定。为达到目的,可采用一类稳泡剂。这类稳泡剂作为一种活性物质加入起泡液中,通过协同作用增强表面吸附分子间的相互作用,使表面吸附强度增大以提高泡沫的稳定性。常用的有硬脂酸胺、月桂醇、月桂酰二乙醇胺、十二烷基二甲胺氧化物等。

溶液粘度

溶液粘度大,第一可以增加膜表面强度,第二可以使液膜与表面膜邻近的液体不易排出,泡膜厚度变小的速度减慢,因而延缓了泡沫破裂的时间,增加了泡沫的稳定性。但这仅是一个辅助指标,若无表面膜的形成,即使内部粘度再高,也不一定形成稳定的泡沫。为此可以使用二类稳泡剂,它可以提高溶液粘度,并能形成弹性薄膜。常用的增粘剂有可溶性淀粉和合成龙胶等。一般二类稳泡剂要比一类稳泡剂效果更明显,因而在现场上被广泛使用。

生活用品实验 

起泡剂与稳泡剂的选择

起泡剂

  1. 洗衣粉:小泡泡,持续时间较短
  2. 洗洁精:几乎无法吹出泡泡
  3. 洗发水:可以吹出较大的泡泡,持续时间也有保证

效果总结:洗发水>洗衣粉>洗洁精

稳泡剂

  1. 蛋白粉:使泡泡不易破,存在时间变长,具有韧性,适量添加有较好地效果
  2. 甘油:增强泡泡的稳定性
  3. 胶水:改良作用不明显
  4. 蜂蜜:使泡泡不易破,存在时间变长,但量过多时对现象没有明显改善

效果总结:蛋白粉>蜂蜜>甘油>胶水

起泡剂与稳泡剂的混合

  1. 洗衣粉+蛋白粉:泡泡容易脱落,触地破裂,效果不好
  2. 洗洁精+甘油/蛋白粉:泡泡的稳定性和大小均无法保证
  3. 洗发水+胶水:改善效果不明显
  4. 洗发水+蛋白粉:最大的泡泡半径25cm,维持时间达100s
  5. 洗发水+蛋白粉+甘油:甘油有改善作用,
  6. 洗发水+蛋白粉+蜂蜜:效果比甘油明显,但量多时泡泡容易吹出,很快落地,似乎是变“重”了

目前得到的最佳配方为:200mL清水+10mL洗发水+1勺蛋白粉+10mL蜂蜜(+10mL甘油) 相关视频文件如下: img_0190.rar

最佳配方是怎样产生的

  1. 起泡剂的实质是提供表面活性剂,对于洗发水来说,这包括以下几种物质:月桂醇硫酸酯钠,月桂醇聚醚硫酸酯钠(AES)、椰油酰胺丙基甜菜碱等
  2. 蛋白质作为生物大分子,可以有效增强膜的强度
  3. 蜂蜜的存在则可以增加水的粘稠度
  4. 甘油的存在并不太重要,因为它的分子质量远小于蛋白质,且粘稠度也不如蜂蜜。实验效果如下:

表面张力系数的测量是怎样失败的

6月2日进行表面张力系数的测量,实验失败,归纳起来有以下两点原因:

  1. 整个实验中洗发水混合清水得到的并非溶液,而是悬浊液或者乳浊液,
  2. 表面张力系数过小,用毛细管法得到的结果误差必然极大

实验中建议将配方静置一段时间,取上方的溶液进行实验。同时高浓度的配方可能无法采用毛细管测量,只能使用逐步增大浓度的方法,可以得到表面张力系数随浓度变化的曲线。

化工原料的实验

起泡剂与稳泡剂的选择

起泡剂

  1. 十二烷基硫酸钠:白色或淡黄色粉状,溶于水,对碱和硬水不敏感。有去污、乳化和优异的发泡力,是一种阴离子表面活性剂。其生物降解度>90%,可用作牙膏和洗发水的起泡剂。对于呼吸道有刺激。

 - 十二烷基苯磺酸:一种阴离子表面活性剂,为棕色粘稠性液体。对人体有一定伤害:眼睛——眼烧伤,皮肤——皮肤烧伤,可通过皮肤吸收,食入——吞食有害,消化道烧伤,吸入——吸入烧伤呼吸道。

稳泡剂

  1. 羧甲酸纤维素钠:葡萄糖聚合度为100~2000的纤维素衍生物,白色纤维状或颗粒状粉末。无臭,无味,无味,有吸湿性,不溶于有机溶剂。食品工业中用作增稠剂,日用化学工业中可用作黏结剂。
  2. 淀粉:葡萄糖分子聚合而成的多糖,白色粉末状。无臭,无味,有吸湿性。不溶于冷水。
  3. 改性硅树脂聚醚乳液:简称MPS,作为稳泡剂组分使用在泡沫剂产品中,可用于各种阴离子表面活性剂组合物的泡沫配方中。由于安全参数的未知性,不能用于食品或者化妆品行业。

最佳配方与实验效果

实验中应用到了三种化工原料,都闻到了奇怪的味道,混合搅拌后有刺激性气味产生,可能有毒,且用手接触溶液后,都出现了脱皮的现象,推测是因为十二烷基苯磺酸的毒性造成的。建议化工原料只要满足效果即可,不宜多量。配料中的羧甲基纤维素纳具有一定的抗高温能力,能够始终保持有较高粘度,在溶液中加入一定浓度的羧甲基纤维素纳后,可以提高膜强度,减缓排液时间。但实验发现羧甲基纤维素钠的溶解度太小,这与添加化工原料后水变为有机溶液有关,最终只选用了淀粉。

  1. 最佳配方:100mL清水+2.5g十二烷基硫酸钠+3.5g淀粉+5mL十二烷基苯磺酸+6mL硅树脂聚醚乳液
  2. 实验效果如下:

薄膜干涉演示实验

薄膜干涉是光学中的一个重要概念,但纯粹的理论推导过于抽象,为便于学生透彻理解,可以采用本实验所配制的溶液进行课堂演示。如图四所示,最终得到的薄膜延展性极佳,人站在凳子上仍然可以继续将其拉长,且能持续一段时间,稳定性也很好,完全满足课堂演示的要求。演示中需要注意的是,最好是用棉织品拉起膜,因为棉可以吸收一部分溶液,不断补充膜中间所流失的水分,从而延长膜的寿命。如果使用的是化纤或者金属,就比较难达到这种效果。本实验最长可拉到2米以上的膜。

结束语

本实验在掌握了泡沫的相关概念的基础上,探究了泡沫的产生原因及影响其稳定性的因素。针对这些因素,从生活用品和化工原料两个角度探究泡沫配方的最佳设计,取得了令人满意的效果,并在最终实现了薄膜干涉的课堂演示实验。

期中汇报PPT:_肥皂泡实验.pptx 期末论文:_第二版_.pdf 期末汇报PPT:_.pptx

排版改好了 — lvjinglin 2015/05/11 22:42
尽快把其它内容放进来 — lvjinglin 2015/05/11 22:44
已经补充好了:)— 胡致远 2015/05/14 14:53
越来越精彩,加油! — lvjinglin 2015/05/18 23:23
 
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