表面活性剂的泡沫特性

类 别：

化妆品工业

作 者：

关键词：

表面活性剂,泡沫特性

【内容】

(1)泡沫的作用

泡沫作用与洗涤的关系不像乳化作用与洗涤的关系那么清楚。习惯上往往把起泡作用与洗涤作用混为一谈，认为洗涤剂的好坏决定于泡沫的多少。实际并非如此，许多经验和研究结果都表明，洗涤作用与泡沫作用没有直接关系。例如用低泡洗衣粉进行洗涤，并不比高泡洗涤剂的洗涤效果差。

泡沫与洗涤虽然没有直接关系，但在某些场合下，泡沫还是有助于去除污垢的，例如手洗餐具时洗涤液的泡沫可以把洗下来的油污携带走；擦洗地毯时，地毯香波的泡沫有助于带走尘土等固体粒子状污垢，泡沫起到携带污垢的作用。另外，泡沫有时可以作为洗涤液是否有效的一个标志，因为脂肪性油污对洗涤液的起泡力有抑制作用，当脂肪性油污较多而洗涤剂加入量不够时，洗涤液就不会生成泡沫，并使原有的泡沫消失，这标志洗涤液中洗涤剂量不够，应添加或另外配制洗涤液。

泡沫对盥洗制品是重要的，洗发或洗浴时产生细腻的泡沫使人感到滑溜舒适，令人愉快。所以，有必要了解表面活性剂的起泡作用和泡沫的特性。

(2)表面活性剂溶液的泡沫特性

泡沫是指气体分散在液体中的分散体系，其中气体是分散相，液体是分散介质。泡沫有两种聚集态，一种是气体以微小的球型均匀分散在较黏稠的液体中，气泡问的相互作用力弱，这种泡沫被称为稀泡，由于外观类似乳状液，有时甚至称这种稀泡为“气体乳状液”。另一种被称为浓泡。浓泡的泡沫是密集的，气泡间只被极薄的一层液膜所隔开，构成多面体气泡而堆积起来的浓泡。浓泡才是真．正的泡沫。由于气体与液体的密度相差很大，故在液体中的气泡会很快地上升至液面。纯液体是很难形成泡沫的，因为泡沫间只有极薄的一层液膜相隔，这层液膜是很不稳定的，易被破坏。例如纯净的水中产生的泡沫寿命非常之短，一旦离开水面，在0．5s之内马上就破碎，因此在液面上不易观察到泡沫。过程如图1所示。

图1气泡在纯水中上升过程示意图

如果在纯水里加入少量表面活性剂，情况会发生很显著的改变。在含有表面活性剂的水溶液中充入空气或施以较剧烈的搅拌，在溶液内部就可形成被溶液所包围的气泡。表面活性剂会吸附在气-水界面上，以疏水的碳氢链伸入气泡的气相中，而亲水的极性头伸入水中，形成单分子膜气泡。当气泡上升露出水面与空气接触时，表面活性剂就吸附在气泡表面内外两侧，形成双分子膜。在双分子膜的保护下气泡就有较长的寿命，随着气泡不断地产生，逐渐堆积在液体表面形成泡沫层。这种带有表面活性剂的双分子膜气泡在太阳光下可以看到七色光谱带，因为双分子膜的厚度刚好落在可见光的波长范围内(大约数百纳米)。图2是泡沫生成示意图。

图2表面活性剂溶液中气泡上升过程示意图

双分子膜气泡的内部结构如图3所示。堆积在液体表面的泡沫层内部如图4所示。图8-6(a)是气泡在表面活性剂溶液内部刚刚形成的状况；图4(b)疆气泡上升到溶液表面时的状况，它是以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物，即通常所说的泡沫。与其他气／液分散状态气泡，如液体泡沫[见图4(c)]和喷雾[见图4(d)]不同，泡沫在形态上的一个特点是作为分散相的气泡常常为多面体，像蜂巢状的结构，而不像乳状液或上述几种气／液分散体系那样，分散相的液体或气体经常是以球状或椭球状的形态存在的。

图3双分子膜气泡的结构

图4表面活性剂溶液中的气泡和泡沫

(3)表面活性剂的起泡性

泡沫的产生是有条件。首先是需要气液两相互相接触。因为泡沫是气体在液体中的分散体，所以只有当气体与液体连续充分地接触时，才有可能产生泡沫。这是泡沫产生的必要条件但并非充分条件。充分条件是发泡速度高于破泡速度，它决定了泡的寿命。无论你向纯净的水中如何充气，也不可能得到泡沫而只能出现单泡，因为纯水产生的泡的寿命大约在0．5s之内，浮出水面后只能瞬间存在，因此不可能得到稳定的泡沫。要想得到稳定的泡沫只有在水中加入少量的表面活性剂，再向水中充气。因为表面活性剂的存在不仅使发泡变得容易而且使发泡速度超过破泡速度，从而得到稳定的泡沫。

泡沫的产生是将气体分散于液体中形成气-液粗分散体的过程。在泡沫形成的过程中，气-液界面会急剧地增加，因此体系的能量增加，这就需要外界对体系做功，如通气时加压或搅拌等。当外界对体系施加的功为一定值时，体系因产生泡沫而使能量增加，其增加值为液体表面张力与体系增加的气-液界面的面积的乘积，即等于外界对体系所做的功。液体的表面张力越低则气-液界面的面积就越大，泡沫的体积也就越大，说明此液体很容易起泡。表面活性剂具有明显地降低水的表面张力的能力，如十二烷基硫酸钠能把水的表面张力从72．8mN／m降至39．5mN／m，因此十二烷基硫酸钠的水溶液就容易产生泡沫。而纯水因其表面张力高而不易产生泡沫。表面活性的起泡力可以用表面活性剂降低水的表面张力的能力大小来表征，表面活性剂降低水的表面张力强者其起泡力就越强，反之越差。

(4)表面活性剂的稳泡性

表面活性剂的起泡性和稳泡性是两个不同的概念，表面活性剂的起泡性是指表面活性剂溶液在外界条件作用下产生泡沫的难易程度，表面活性剂降低水的表面张力的能力越强越有利于产生泡沫。表面活性剂的稳泡性是指在表面活性剂水溶液产生泡沫之后，泡沫的持久性或泡沫“寿命”的长短。这与液膜的性质有密切的关系。影响表面活性剂稳泡性的因素主要是界面张力和界面膜的性质。一个在教科书中经常被引用的典型例子是：乙醇的表面张力在20℃时为22．4mN／m，由于其表面张力低，所以在外界条件作用下容易产生泡沫，但泡沫很不稳定，很快就破灭。而表面活性不太高的蛋白质、明胶等虽然产生泡沫不如乙醇那么容易，但泡沫一旦形成后却很稳定。这个例子说明气-液界面张力的大小是泡沫产生的重要条件但并非必要条件。低表面张力有利于泡沫的形成，但生成的泡沫并非一定是稳定的。因此表面活性剂的稳泡性不能完全由其降低液体表面张力的能力来决定。

表面黏度是泡沫稳定的重要因素。因为决定泡沫稳定性的关键因素是液膜的强度，而液膜的强度主要取决于表面吸附的坚固程度，液膜坚固程度可以用表面黏度来量度。从定性的角度看，在大多数情况下，泡沫的稳定性与表面黏度有关，但这种关系现今还不十分清楚。然而，比较公认的看法是：表面黏度非常低的“气体”单分子膜或黏度非常高的“固体”单分子膜，所产生的泡沫均是不稳定的。在这样两种情况下膜的弹性低。此外，表面黏度过高，可能减慢了通过表面迁移机理使变薄部位自身修补的作用。液晶的存在和黏度增高，可能增加泡沫的稳定性，例如对于表面活性剂、脂肪醇、水的三元体系，含有液晶的溶液可产生稳定的泡沫，液晶的黏度高，使液膜排液速度下降。

双电层的存在对泡沫稳定性也有一定的影响。离子型表面活性剂用作起泡剂时，由于表面吸附的结果，表面活性剂离子将富集于表面上，泡沫的液膜带有相同的电荷。液膜较厚时，液膜的两个表面排斥作用不很显著，当液膜变薄时，由于液膜两边被吸附离子表面活性剂构成的离子双层的电相斥作用，可防止液膜进一步变薄(图5所示)。如果将电解质加于起泡的溶液，引起双电层的压缩，减少了液膜两边的电相斥作用，膜厚度变小，降低了泡沫的稳定性。

图5液膜中两个互相排斥的双电子层

影响泡沫稳定性的因素还有界面膜的弹性。表面黏度无疑是生成稳定泡沫的重要条件，但也不是惟一的。表面黏度并非越高越好，还需考虑膜的弹性。例如，十六醇能形成表面黏度和强度很高的液膜但却不能起稳泡作用，因为它形成的液膜刚性太强，容易在外界扰动下脆裂，因此十六醇没有稳泡作用。理想的液膜应该是高黏度、高弹性的凝聚膜。除此之外液膜内液体的黏度也对泡沫的稳定有一定的影响。若液膜液体黏度高，在液膜的重力排液减薄过程中可使排液速度减缓，因此起到稳定泡沫的作用。