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【资讯】烷基糖苷系列表面活性剂泡沫性能研究

发布时间:2021-04-06 16:52:28 来源:现代纺织技术

烷基糖苷系列表面活性剂泡沫性能研究

作者:王雪峰 张建娟

        摘要:采用DFAl00动态泡沫分析仪,对烷基糖苷(APG)系列表面活性剂在不同条件下的的泡沫性能进行研究。结果表明:随着APG疏水性增加,泡沫性能先提高后降低,疏水链碳数为10时,泡沫性能最好;质量浓度增加,APG泡沫性能提高,但到一定质量浓度时泡沫性能趋于稳定;温度对APG的泡沫性能影响较大,温度升高,APG泡沫性能下降;无机盐硫酸钠质量浓度增高,APG0810、APGIO泡沫性能有所提高,而疏水链较长的APGl214泡沫性能略有下降;pH值对APG的泡沫性能影响不大;硬水会降低APG的泡沫性能。

        关键词:DFAl00动态泡沫分析仪;烷基糖苷;泡沫性能

        近年来,随着人们环保意识的增强,少水节能的泡沫染整加工备受关注。泡沫整理是将起泡剂与化学整理品混合后,以物理的方式制造成出含大量空气的泡沫,并通过施加装置将其均匀地分布在待处理织物上的一种加工整理技术。泡沫整理过程中,起泡剂主要是表面活性剂,其泡沫性能对加工效果起着重要作用,不同功能整理对泡沫性能的要求不同,故对表面活性剂泡沫性能的研究具有重要的意义。

        烷基糖苷(alkyl polyglUCOSides,APG)是20世纪90年代以来开发的一类性能优良的非离子型表面活性剂,它是以葡萄糖和天然脂肪醇为原料,由半缩醛羟基与醇羟基,在酸等催化下脱去一分子水生成的产物,具有表面活性好、泡沫性能优良、相容性好、无毒且可100%生物降解等优点,已广泛应用于纺织日化等领域。

        本文选用不同烷链碳数、聚合度为1.4~1.8的烷基糖苷,探究APG分子结构及外界因素对其泡沫性能的影响,以期为泡沫整理中起泡试剂的选用提供依据。

        1.实验

        1.1实验仪器及药品

        DFA100动态泡沫分析仪(德国Krtiss公司),HH-4数显恒温水浴锅(常州国华电器有限公司)。

        APG类表面活性剂(工业级,临沂市兰山区绿森化工有限公司,通式为(C6H11O6)OR,其中APG08(R=C8),APGlO(R=C10),APG0810(R=C8-10),APGl214(R=C12-14))、无水硫酸钠(AR,天津市津北精细化工有限公司)、硫酸(AR,浙江三鹰化学试剂有限公司)、无水乙酸(AR,杭州高晶精细化工有限公司)、无水乙酸钠(AR,南京化学试剂有限公司)、无水碳酸钠(AR,天津市致远化学试剂有限公司)、碳酸氢钠(AR,天津市致远化学试剂有限公司)、氢氧化钠(AR,天津市永大化学试剂有限公司)、无水氯化钙(AR,杭州高晶精细化工有限公司)、氯化镁(AR,天津市科密欧化学试剂有限公司)、海藻酸钠(CR,南京化学试剂有限公司)。

        1.2实验方法

        采用DFA100动态泡沫分析仪,量取恒温水浴的待测液40 mL置于样品杯内,以4 000 r/min的速率搅拌待测液20 s,搅拌结束后持续稳泡340 s,在此过程中测试泡沫性能指标。

        1.3泡沫性能测试

        1.3.1发泡高度FH

        发泡高度FH表征泡沫的起泡性,本实验取23 s时的泡沫高度,单位men。数值大,表示起泡性好。

        1.3.2排液50%的时间Dso

        排液50%的时间Dso表征泡沫的稳定性,本实验取搅拌结束后,泡沫排液量占总液量50%时的时间,单位s。时间越长,表示泡沫稳定性越好。

        2.结果与讨论

        2.1疏水链对APG泡沫性能的影响

        设定温度为25℃,选取不同质量浓度的APG系列表面活性剂进行发泡,测得泡沫高度及泡沫排液50%的时间,如图1、图2所示。

        通过比较图1中4条曲线可知,随着APG疏水性增加,起泡性先提高后降低,疏水链碳数为10时,起泡性最好。表面活性剂的起泡性与液体表面张力有关,表面张力越低,起泡性越好,但在临界胶束浓度以上,APG系列表面活性剂的液体表面张力基本相同。起泡性还与表面活性剂的亲疏平衡值(HLB值)有关系,HLB值主要影响溶液中的表面活性剂单分子和胶束的量。HLB值大,亲水性好,疏水性差,溶液中单分子为主,胶束量少;HLB值小,亲水性差,疏水性好,溶液中胶束为主,单分子量少,且胶束较稳定,不利于起泡;HLB值适中,溶液中表面活性剂单分子和胶束的量比例适中,表面活性剂单分子有利于起泡,而不稳定的表面活性剂胶束则可解体成单分子并快速扩散吸附到新生气液界面,保持液体动态表面张力的平衡,也有利于泡沫的形成。疏水链短的APG08,HLB值大,泡沫性能较差,疏水链长的APGl214,HLB值小,泡沫性能也较差,而APGl0的HLB相对适中,泡沫性能较好。

        对比图2中4条曲线可知,疏水链对APG的稳泡性也有较大影响,疏水链较长,泡沫稳定性较好。APG的疏水链较长时,会在气泡的液膜表面形成紧密的吸附层,提高了泡沫的表面粘度,减缓了气体透过液膜的扩散速率;同时,疏水链较长,APG发泡原液的液相粘度较大,可减缓泡沫中液体的排出速率,故有利于泡沫的稳定性。但若碳链太长,形成的泡沫表面膜刚性会过强,反而不利于泡沫的稳定性。

        2.2质量浓度对APG泡沫性能的影响

        通过观察图1每条曲线的变化趋势可知,随着APG质量浓度的增加,泡沫高度随之增加,起泡性逐渐提高;当到一定质量浓度时,发泡高度变化较小,起泡性基本稳定。液体表面张力会随着表面活性剂的浓度增加而减小,表面张力越小,起泡所需的能量越低,越有利于起泡,但到一定浓度时,表面张力达到平衡,起泡性趋于稳定。另一方面,泡沫体系是热力学不稳定体系,泡沫产生的同时也存在破裂,发泡剂质量浓度增加,泡沫破裂的速率减小,起泡性会有所提升。

        观察图2的每条曲线可知,APG系列表面活性剂质量浓度增加,泡沫排液50%的时间也增加,泡沫稳定性提高;但超过一定质量浓度,泡沫稳定性提高较小,甚至会有所下降。原因是APG的质量浓度影响液体的表面张力和粘度,质量浓度增加,液体表面张力减小,液体粘度增大;低表面张力可以使泡沫体系能量降低,泡沫是热力学不稳定体系,总是趋向于较低的能量状态而保持相对的稳定;发泡液粘度增大,泡沫内的液体不易排出,液膜变薄减缓,泡沫破裂速率也减慢,故泡沫稳定性提高。但质量浓度过大,泡沫液膜中表面活性剂分子数目过多,泡沫刚性增加,反而不利于泡沫的稳定性。

        2.3温度对APG泡沫性能的影响

        控制APG质量浓度为4g/L,在不同温度下测泡沫高度及泡沫排液50%的时间,结果如图3、图4所示。

        由图3可知,随着温度升高,APG系列表面活性剂的起泡性都下降,但疏水链长不同,下降程度有所不同,APG0810、APG10下降程度较大,而APGl214下降程度较小。原因可能是,温度升高会加剧溶液中表面活性剂分子的运动,这不利于分子的有序排列,使表面活性剂分子易于形成胶束,且温度升高发泡过程中泡沫的破裂速率也会增大。总之,温度增高,APG的起泡性下降。但疏水链较长,表面活性剂分子运动阻力相对较大,起泡性能下降程度相对较缓。

        由图4可知,温度增高会降低APG系列表面活性剂形成泡沫排液50%的时间,即降低泡沫的稳定性。温度对泡沫液膜的性质影响较大,温度升高,表面活性剂在气液界面上吸附量减小,泡沫表面粘度下降,表面弹性下降,Marangoni自修复效应减弱,泡沫的稳定性降低。另外,高温度会降低溶液的粘度,加快排液速率,也会降低泡沫的稳定性。

        2.4无机盐硫酸钠对APG泡沫性能的影响

        控制温度为25℃、APG质量浓度为4 g/L,测得其在不同质量浓度的硫酸钠溶液中的泡沫高度及泡沫排液50%的时间,结果如图5、图6所示。

        由图5可知,无机盐硫酸钠的加入对APG起泡性的影响有所不同,随着硫酸钠质量浓度的增加,APGl214的起泡性逐渐降低,而APG10及APG0810起泡性则逐渐提高。无机盐本身会增大液体的表面张力,不利于发泡原液的起泡,但APG系列表面活性剂在溶液中会呈现出一定的负电性,无机盐硫酸钠的加入,引入了反离子Na+,在一定程度上会促进APG分子的有序排列,进而降低液体的表面张力,有利于APG的起泡。疏水链长度不同,可能会影响APG分子的负电性。负电性较弱,无机盐增加液体表面张力的效果更明显,不利于起泡,而负电性较强,反离子降低液体表面张力的作用效果更强,促进起泡。

        由图6可知,无机盐质量浓度对不同APG稳泡性的影响并不相同。APG0810、APG10的稳泡性明显增加,而APG1214稳泡性有所下降。原因可能是硫酸钠中的Na+会降低泡沫液膜表面APG分子亲水基间的静电斥力,使其排列更加紧密,减缓了液体的排出速率,也减弱了气体透过液膜而造成的泡沫兼并效应,故硫酸钠的加入可提高泡沫的稳泡性;但疏水链较长时,APG表面活性剂的负电性弱,反离子作用弱,而无机盐增加液体表面张力的作用更强,无机盐浓度越高,表面张力越大,泡沫体系能量越高,泡沫的稳定性越低。

        2.5体系pH值对APG泡沫性能的影响

        设定温度为25℃、APG质量浓度为4 g/L,测得其在不同pH值条件下的泡沫高度及泡沫排液50%的时间,结果如图7、图8所示。

        由图7可知,pH值对APG系列表面活性剂的起泡性能影响相对较小。中性条件下,APG起泡性最好,酸性条件下,随着酸性的增强,起泡性略有下降,而碱性条件下,随着碱性的增强,起泡性有所提高。酸碱性可能会影响APG分子间或者与水分子之间的作用力,进而影响其起泡性能。

        由图8可知,APG在酸性条件下,酸性增强,稳泡性下降,碱性条件下,碱性增强,稳泡性提升,中性条件下稳泡性相对较好,强碱条件下的稳泡性接近于中性。APG10在强碱条件下,稳泡性甚至优于中性条件。酸碱性可能会破坏APG亲水基团葡萄糖苷与水分子间形成的氢键,降低泡沫的表观粘度,而不利于泡沫的稳定性。但在强碱条件下,氢氧化钠质量浓度足够高时,会提高发泡原液的粘度,减缓泡沫的排液速率而有利于泡沫稳定性,Na+较多时,也会提高泡沫稳定性。

        2.6硬水对APG泡沫性能的影响

        设定温度为25℃、APG质量浓度为4 g/L,分别选用硬度以碳酸钙计为0.342 g/L的硬水和去离子水进行发泡,测得其泡沫高度及泡沫排液50%的时间,如图9、图10所示。

        由图9、图10可知,APG泡沫性能会受硬水影响,硬水会降低APG的起泡性和稳泡性;因为APG表面活性剂在溶液中会有一定的负电性,受两价金属离子的不利影响比较大,钙镁离子使部分APG胶束发生聚集,形成更大的胶束团,故会降低APG的泡沫性能。

        3.结论

        a)疏水链长对APG的泡沫性能影响较明显,疏水链较长或者较短都会降低APG的泡沫性能;APG质量浓度增加,泡沫性能提高,但到一定质量浓度时泡沫性能趋于稳定,综合考虑,APG10在质量浓度为10 g/L时的泡沫性能为最佳。

        b)温度对APG类表面活性剂的泡沫性能影响较大,温度升高,其泡沫性能下降,故APG在室温20~25℃之间使用泡沫性能较佳。

        c)无机盐硫酸钠对APG泡沫性能影响各异,硫酸钠质量浓度增高,疏水较短的APG泡沫性能有所提升,而疏水链较长的APG1214泡沫性能略有下降;体系pH值对APG的泡沫性能影响不大,但水质有一定影响,水质太硬会降低APG的泡沫性能。


来源:《现代纺织技术》2017年第01期

 

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