鋰皂石及HMHEC與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定的泡沫.pdf

1、泡沫是氣體分散在液體中的分散體系，其中氣體是分散相，液體是分散介質。泡沫屬于熱力學不穩(wěn)定體系，泡沫的不穩(wěn)定性在于體系具有較大的界面面積和較高的表面能，所以體系具有減少界面面積使其能量降到最低的自發(fā)趨勢。純液體是不能形成氣泡的，除非有表面活性物質存在。能夠起泡的表面活性物質主要有三類：表面活性劑、高分子聚合物和固體顆粒。在實際工業(yè)中，比如石油開采、礦物浮選、食品加工等體系中往往既有顆粒也有表面活性劑，有時還有聚合物，所以研究顆粒和表面活性

2、劑以及聚合物和表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定的泡沫就具有重要的現(xiàn)實意義。有鑒于此，本論文研究了顆粒/表面活性劑、聚合物/表面活性劑體系協(xié)同穩(wěn)定的泡沫，得到了一些重要的有實際意義的結果。這些研究不論是對膠體化學基礎理論的深入，還是對這類復合體系在工業(yè)過程中的應用，都有一定的指導作用。 合成鋰皂石(Synthetic Laponite)是一種人工合成的圓盤狀粘土礦物，由于其晶格結構中部分二價的鎂離子被一價的鋰離子置換(同晶置換)，導致其粒子表面

3、帶有永久負電荷。合成鋰皂石純度高、粒徑分布窄，經(jīng)常作為理論研究的模型。鑒于合成鋰皂石顆粒的結構特點和重要的實際應用價值，本文以合成鋰皂石顆粒為研究對象，研究了其與陽離子表面活性劑(CTAB)及非離子表面活性劑(C12E4)協(xié)同穩(wěn)定的泡沫。另外，考慮到疏水改性的聚合物在水溶液中具有獨特的耐鹽、增粘及兩親性，已成為水溶性聚合物領域中最活躍的研究熱點之一，所以還選擇了疏水改性的羥乙基纖維素(HMHEC)，開展了HMHEC與表面活性劑(SDS、

4、CTAB、C12E4)的相互作用以及復配制備泡沫的工作。 本文的主要內容包括以下幾個部分： 1.鋰皂石顆粒和陽離子表面活性劑CTAB共同穩(wěn)定的泡沫我們首先研究了CTAB在鋰皂石顆粒表面的吸附，包括吸附等溫線、TGA/DSC、顆粒電勢、三相接觸角等，然后考察了兩者共同穩(wěn)定的泡沫。CTAB在鋰皂石上吸附后，顆粒電勢的絕對值先降低，經(jīng)過等電點后又丌始升高，最后達到一平臺值。顆粒的疏水性則先增大后減小，在CTAB的初始濃度約為1

5、.7cec時達到最大。這里的疏水性是相對的，接觸角仍然小于90°。通過TGA/DSC實驗發(fā)現(xiàn)，CTAB在鋰皂石上的吸附在1.7cec附近發(fā)生吸附單層到雙分子層的轉換，也進一步驗證了顆粒疏水性的變化規(guī)律。泡沫的穩(wěn)定性實驗表明，在固定的顆粒濃度下，泡沫的穩(wěn)定性隨CTAB濃度的增加先增大后減小，最后達到平臺值。在1.7cec處得到最穩(wěn)定的泡沫。當CTAB的濃度小于1.0cec時，表面活性劑靠靜電引力吸附在顆粒表面上，此后，吸附過程受疏水作用驅

6、動。表面活性劑在顆粒表面首先形成二維的聚集體，這種二維聚集體呈半膠束結構，疏水基朝外，所以顆粒的疏水性逐漸增加，在1.7cec附近達到最大，泡沫的穩(wěn)定性也最大。當CTAB的濃度大于1.7cec時，表面活性劑在顆粒表面又開始形成反半膠束，表面活性劑的親水基朝外，所以顆粒的疏水性又開始下降，泡沫的穩(wěn)定性也下降?？梢娕菽姆€(wěn)定性是與CTAB在鋰皂石上的吸附特性緊密相關的。泡沫最穩(wěn)定的體系中顆粒的疏水性最大，但是并不對應著顆粒帶電量最少，即在決

7、定泡沫的穩(wěn)定性上，顆粒疏水性比電性質要關鍵。在中間表面活性劑濃度內，我們用干泡實驗和熒光共聚焦顯微鏡均證明了表面活性劑改性的顆粒在氣泡表面形成了吸附。共聚焦顯微鏡照片表明顆粒以聚集體的形式吸附，吸附的顆粒和未吸附的顆粒相互牽連，形成框架結構，這種結構大大提高了泡沫的穩(wěn)定性。當顆粒又重新變?yōu)橛H水后，泡沫體系主要由表面活性劑穩(wěn)定，有三點可以證實：一是混合體系泡沫的穩(wěn)定性和單獨表面活性劑在大于cmc時的相近，呈一平臺；二是干泡沫相內沒有留下任

8、何顆粒的痕跡；三是混合體系泡沫的穩(wěn)定性與顆粒濃度無關。 2.鋰皂石顆粒和非離子表面活性劑共同穩(wěn)定的泡沫系統(tǒng)研究了鋰皂石顆粒和烷基醇聚氧乙烯醚非離子表面活性劑(C12E4)協(xié)同穩(wěn)定的泡沫.C12E4在鋰皂石上的吸附呈多層吸附形式，不同于較長親水鏈的同類型表面活性劑，這可能是由于C12E4在溶液中能形成層狀相的緣故。對鋰皂石/C12E4體系，兩者對泡沫具有協(xié)同穩(wěn)定性，而且該協(xié)同作用隨著C12E4濃度的增加而增強。通過光學顯微鏡觀察發(fā)

9、現(xiàn)，鋰皂石/C12E4水分散體系制備的氣泡尺寸小于C12E4單獨制備的氣泡尺寸。熒光共聚焦顯微鏡照片清楚的表明，改性后的顆粒分布在氣泡的表面、氣泡層間和Plateau邊界區(qū)域，氣泡處在顆粒形成的三維網(wǎng)絡結構的網(wǎng)格內。這種結構大大提高了泡沫穩(wěn)定性。泡沫的穩(wěn)定性隨著表面活性劑濃度的提高逐漸增加，其原因是隨著表面活性劑濃度的增加，顆粒在氣泡表面的吸附密度增加，吸附膜的致密性增大。顆粒zeta電勢的下降也促進了顆粒在氣泡表面的吸附。為了對比起見

10、，還簡單研究了鋰皂石/C12E23和二氧化硅/C12E4兩種體系。對于鋰皂石/C12E23體系，兩者對泡沫穩(wěn)定性沒有表現(xiàn)出協(xié)同作用?？赡艿脑蚴牵阂?，極性鏈較長的表面活性劑C12E23在顆粒表面的吸附并沒有賦予顆粒一定的疏水性，顆粒不能吸附到氣泡表面；二，分散體系的粘度仍然很低，提高泡沫穩(wěn)定性的作用不明顯。對于二氧化硅/C12E4體系，在一定濃度范圍內兩者對泡沫的穩(wěn)定表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用，但是這種協(xié)同作用不是源于顆粒在氣泡表面的吸附，而

11、是源于分散體系粘度的增大，因此這種協(xié)同作用比鋰皂石/C12E4的協(xié)同作用弱的多。 3.疏水締合的羥乙基纖維素和多種表面活性劑共同穩(wěn)定的泡沫系統(tǒng)研究了疏水改性的羥乙基纖維素(HMHEC)分別與CTAB、SDS及C12E4三種表面活性劑復配制備的泡沫，發(fā)現(xiàn)了不同的變化規(guī)律。首先研究了HMHEC和各種表面活性劑水溶液的性質，然后考察了泡沫性質。HMHEC和CTAB及SDS的作用有些相似，都是在一定的表面活性劑/HMHEC濃度比例時混合

12、溶液的粘度達到最大，在該比值之上，過量的表面活性劑膠束將聚合物鏈相互隔離開來，體系粘度下降。HMHEC/CTAB和HMHEC/SDS體系制備的泡沫的穩(wěn)定性也都是先增加后下降。泡沫穩(wěn)定性最高的體系對應的溶液的粘度也最大。另外，HMHEC和這兩種表面活性劑復配后制得的泡沫穩(wěn)定性都比各組分單獨制備的高，即具有協(xié)同性。兩種體系也有不同之處。第一點，在較高的SDS濃度時，HMHEC/SDS體系制備的泡沫穩(wěn)定性和單獨SDS(＞cmc)制備的泡沫穩(wěn)定

13、性相近，氣泡尺寸變大，且泡沫穩(wěn)定性不依賴于聚合物的濃度，推斷此時主要由SDS穩(wěn)定泡沫；而在較高的CTAB濃度時，HMHEC/CTAB泡沫比單獨CTAB制備的泡沫穩(wěn)定性高的多，氣泡變大但仍小于單獨由CTAB制備的氣泡的尺寸，另外泡沫穩(wěn)定性隨聚合物濃度的增加而增大，所以此時仍然由HMHEC/CTAB兩者形成的復合物來穩(wěn)定泡沫。第二點，HMHEC/SDS體系制備的最穩(wěn)定的泡沫的穩(wěn)定性要比HMHEC/CTAB體系制備的高得多。這可能與CTAB、

14、SDS和HMHEC主鏈上的-OH作用方式不同有關。已有的文獻大部分是用間接的方法證明聚合物/表面活性劑復合物在氣/液界面的吸附，如表面張力法。本文采用直接法(熒光共聚焦顯微鏡)觀察到HMHEC/SDS、HMHEC/CTAB復合物在氣泡表面形成吸附，氣泡分布在三維網(wǎng)絡狀結構的網(wǎng)格中。 對于HMHEC/C12E4溶液，體系的粘度隨表面活性劑濃度的增加一直增大，不同于前兩種體系，這和表面活性劑在溶液中形成的聚集體結構有關。C12E4在