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表面活性剂浓度增加时产生大量泡沫的消泡方法

当空气进入到液体中时,由于其不溶于水,当有外力作用时便会被液体分隔成许多的气泡,形成一种不均匀的体系。当空气进入液体形成泡沫的之后,气体和液体的接触面积增加,体系的自由能也随之而增加。

当表面活性剂浓度增加的时候,在开始阶段体系的表面张力会迅速降低,但随着表面活性剂浓度的进一步增加,体系的表面张力不再发生变化,达到一种平衡状态。Milles 和 Shedlovsky 通过实验得出结论,最低点的异常是可能是由于体系中所含的杂质引起的,或者多种表面活性剂之间发生相互作用而导致的。最低点就是我们平时所说的临界胶束浓度。因此,当表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度时,体系中就会有非常多的表面活性剂,这些表面活性剂足够在液面上紧密排列,形成一层没有空隙的单分子膜层,从而将体系的表面张力降到最低。当表面张力变小时,体系产生泡沫所需要的自由能就会降低,这将会导致泡沫很容易产生。


在实际的生产使用过程中,为了使制备的乳液能够稳定贮存,我们往往将表面活性剂的浓度调到临界胶束浓度之上。这样做虽然有利于乳液的稳定性,但也存在一定的负面影响。因为过多的表面活性剂不仅使体系的表面张力降到了最低,而且多余的表面活性剂会将进入乳液的空气包围起来,形成一层比较坚固的液膜,在液体表面则形成双分子膜层,非常不利于泡沫的消除。


泡沫是很多气泡的集合体,而气泡则是气体分散在液体中形成的,气体充当分散相,液体充当连续相。气泡中的气体可能会从一个气泡跑到另一个气泡中,也可能从体系中转移到临近的大气中,这就是气泡的合并与消失。


对于单一的水或者表面活性剂来说,由于其组成上比较均匀,因为产生的泡沫膜壁没有弹性,所以泡沫不稳定,很容易自己消除掉。热力学理论认为纯液体产生的泡沫只是暂时的,泡沫会因为膜的排液作用而消除掉。


正如前面所提到的,在水性涂料中,不仅有分散介质水,还有用来乳化聚合物的乳化剂以及分散剂、润湿剂、增稠剂等表面活性类涂料助剂,正因为这些物质同时存在于一个体系当中,因此体系中很容易产生泡沫,而且这些表面活性类的物质还将对产生的泡沫起到稳定作用。


(1)泡沫产生之后,在分子间力的作用之下,表面活性剂会被吸附到气泡的膜壁上,亲水基伸向起跑外面的乳液中,憎水基则伸向气泡里面的空气中,从而在气泡与乳液的气液界面上有规律的形成了一个具有弹性的膜层,从而抑制了泡沫膜壁的破裂。在泡沫形成之后,气泡膜壁上的液体会在重力作用下开始向气泡底部流动,这样就会导致气泡的局部膜壁变薄。当液膜变薄时,气泡存在两种机制使其液膜能够自修复。一种修复机制为:当液膜变薄之后,由于液膜的面积增加而使表面张力升高,因此而出现的表面张力梯度使液膜具有收缩的效果,此即 Gibbs 弹性收缩。另一种修复机制为:出现表面张力梯度以后,气泡膜壁表面所吸附的表面活性剂分子由表面张力较低的区域向表面张力较高的区域移动,以使表面张力保持平衡,此即Marangoni 效应。在这两种效应的共同作用下,泡沫稳定存在。


(2)当使用的乳化剂为离子型时,气泡的膜壁就会带有电荷,由于电荷之间存在较大的斥力,气泡之间因为存在较大的电荷斥力就不会聚集,抑制了小泡变大泡然后在消除的过程。因此对泡沫的消除不利,稳定了泡沫。


(3)当使用的乳化剂其分子链较长时,分子链之间的引力作用比较强烈,气泡的膜壁因此而弹性比较好,机械强度比较大,不容易破裂,从而抑制了泡沫的消除,稳定了泡沫。


(4)为了提高水性涂料的粘度,通常会向体系中加入增稠剂,粘度增加以后气泡间液体的流动就会受阻,气泡膜壁就很难变薄,气泡膜壁的破裂受阻。可见粘度的增加也会起到稳定泡沫的作用,对于消泡十分不利。





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