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烷基糖苷系列表面活性劑泡沫性能研究

時(shí)間:2023-12-14 10:20:45 來(lái)源:創(chuàng)始人 點(diǎn)擊:0

烷基糖苷是一類性能優(yōu)良的非離子型表面活性劑,它是以葡萄糖和天然脂肪醇為原料,由半縮醛羥基與醇羥基,具有表面活性好、泡沫性能優(yōu)良、相容性好、無(wú)毒且可100%生物降解等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于紡織日化等領(lǐng)域。

本文選用不同烷鏈碳數(shù)(APG08(R=C8),APG10(R=C10),APG0810(R=C8-10),APG1214(R=C12-14)),探究APG分子結(jié)構(gòu)及外界因素對(duì)其泡沫性能的影響。

泡沫性能測(cè)試

1.發(fā)泡高度FH

發(fā)泡高度FH表征泡沫的起泡性,本實(shí)驗(yàn)取23s時(shí)的泡沫高度,單位mm。數(shù)值大,表示起泡性好。

2.排液50%的時(shí)間D50

排液50%的時(shí)間D50表征泡沫的穩(wěn)定性,本實(shí)驗(yàn)取攪拌結(jié)束后,泡沫排液量占總液量50%時(shí)的時(shí)間,單位s。時(shí)間越長(zhǎng),表示泡沫穩(wěn)定性越好。

結(jié)果與討論

1.疏水鏈對(duì)APG泡沫性能的影響
設(shè)定溫度為25℃,選取不同質(zhì)量濃度的APG系列表面活性劑進(jìn)行發(fā)泡,測(cè)得泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間,如圖1、圖2所示。

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通過(guò)比較圖1中4條曲線可知,隨著APG疏水性增加,起泡性先提高后降低,疏水鏈碳數(shù)為10時(shí),起泡性最好。表面活性劑的起泡性與液體表面張力有關(guān),表面張力越低,起泡性越好,但在臨界膠束濃度以上,APG系列表面活性劑的液體表面張力基本相同。起泡性還與表面活性劑的親疏平衡值(HLB值)有關(guān)系,疏水鏈短的APG08,HLB值大,泡沫性能較差,疏水鏈長(zhǎng)的APG1214,HLB值小﹐泡沫性能也較差,而APG10的HLB相對(duì)適中,泡沫性能較好。

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對(duì)比圖2中4條曲線可知,疏水鏈對(duì)APG的穩(wěn)泡性也有較大影響,疏水鏈較長(zhǎng),泡沫穩(wěn)定性較好。APG的疏水鏈較長(zhǎng)時(shí),會(huì)在氣泡的液膜表面形成緊密的吸附層,提高了泡沫的表面粘度,減緩了氣體透過(guò)液膜的擴(kuò)散速率:同時(shí),疏水鏈較長(zhǎng),APG發(fā)泡原液的液相粘度較大,可減緩泡沫中液體的排出速率,故有利于泡沫的穩(wěn)定性。但若碳鏈太長(zhǎng),形成的泡沫表面膜剛性會(huì)過(guò)強(qiáng),反而不利于泡沫的穩(wěn)定性。

2.質(zhì)量濃度對(duì)APG泡沫性能的影響
通過(guò)觀察圖1每條曲線的變化趨勢(shì)可知,隨著APG質(zhì)量濃度的增加,泡沫高度隨之增加,起泡性逐漸提高;當(dāng)?shù)揭欢ㄙ|(zhì)量濃度時(shí),發(fā)泡高度變化較小,起泡性基本穩(wěn)定。液體表面張力會(huì)隨著表面活性劑的濃度增加而減小,表面張力越小,起泡所需的能量越低,越有利于起泡,但到一定濃度時(shí),表面張力達(dá)到平衡,起泡性趨于穩(wěn)定。另一方面,泡沫體系是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,泡沫產(chǎn)生的同時(shí)也存在破裂,發(fā)泡劑質(zhì)量濃度增加,泡沫破裂的速率減小,起泡性會(huì)有所提升。

觀察圖2的每條曲線可知,APG系列表面活性劑質(zhì)量濃度增加,泡沫排液50%的時(shí)間也增加,泡沫穩(wěn)定性提高:但超過(guò)一定質(zhì)量濃度,泡沫穩(wěn)定性提高較小,甚至?xí)兴陆?。原因是APG的質(zhì)量濃度影響液體的表面張力和粘度,質(zhì)量濃度增加,液體表面張力減小,液體粘度增大:低表面張力可以使泡沫體系能量降低,泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,總是趨向于較低的能量狀態(tài)而保持相對(duì)的穩(wěn)定;發(fā)泡液粘度增大,泡沫內(nèi)的液體不易排出,液膜變薄減緩泡沫破裂速率也減慢。故泡沫穩(wěn)定性提高。但質(zhì)量濃度過(guò)大,泡沫液膜中表面活性劑分子數(shù)目過(guò)多,泡沫剛性增加,反而不利于泡沫的穩(wěn)定性。

3. 溫度對(duì)APG泡沫性能的影響
控制APG質(zhì)量濃度為4g/L,在不同溫度下測(cè)泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間,結(jié)果如圖3、圖4所示。

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由圖3可知,隨著溫度升高,APG系列表面活性劑的起泡性都下降,但疏水鏈長(zhǎng)不同,下降程度有所不同,APG0810、APG10下降程度較大,而APG1214下降程度較小。原因可能是,溫度升高會(huì)加劇溶液中表面活性劑分子的運(yùn)動(dòng),這不利于分子的有序排列,使表面活性劑分子易于形成膠束,且溫度升高發(fā)泡過(guò)程中泡沫的破裂速率也會(huì)增大??傊瑴囟仍龈?,APG的起泡性下降。但疏水鏈較長(zhǎng),表面活性劑分子運(yùn)動(dòng)阻力相對(duì)較大,起泡性能下降程度相對(duì)較緩。

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由圖4可知,溫度增高會(huì)降低APG系列表面活性劑形成泡沫排液50%的時(shí)間,即降低泡沫的穩(wěn)定性。溫度對(duì)泡沫液膜的性質(zhì)影響較大,溫度升高,表面活性劑在氣液界面上吸附量減小,泡沫表面粘度下降,表面彈性下降,Marangoni自修復(fù)效應(yīng)減弱,泡沫的穩(wěn)定性降低。另外,高溫度會(huì)降低溶液的粘度,加快排液速率,也會(huì)降低泡沫的穩(wěn)定性。

4.無(wú)機(jī)鹽硫酸鈉對(duì)APG泡沫性能的影響
控制溫度為25℃、APG質(zhì)量濃度為4g/L,測(cè)得其在不同質(zhì)量濃度的硫酸鈉溶液中的泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間,結(jié)果如圖5、圖6所示。

5

由圖5可知,無(wú)機(jī)鹽硫酸鈉的加入對(duì)APG起泡性的影響有所不同,隨著硫酸鈉質(zhì)量濃度的增加,APG1214的起泡性逐漸降低,而APG10及APG0810起泡性則逐漸提高。無(wú)機(jī)鹽本身會(huì)增大液體的表面張力,不利于發(fā)泡原液的起泡,但APG系列表面活性劑在溶液中會(huì)呈現(xiàn)出一定的負(fù)電性,無(wú)機(jī)鹽硫酸鈉的加入,引入了反離子Na+,在一定程度上會(huì)促進(jìn)APG分子的有序排列,進(jìn)而降低液體的表面張力,有利于APG的起泡。疏水鏈長(zhǎng)度不同,可能會(huì)影響APG分子的負(fù)電性。負(fù)電性較弱,無(wú)機(jī)鹽增加液體表面張力的效果更明顯,不利于起泡,而負(fù)電性較強(qiáng),反離子降低液體表面張力的作用效果更強(qiáng),促進(jìn)起泡。

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由圖6可知,無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量濃度對(duì)不同APG穩(wěn)泡性的影響并不相同。APG0810、APG10的穩(wěn)泡性明顯增加,而APG1214穩(wěn)泡性有所下降。原因可能是硫酸鈉中的Na+會(huì)降低泡沫液膜表面APG分子親水基間的靜電斥力,使其排列更加緊密,減緩了液體的排出速率,也減弱了氣體透過(guò)液膜而造成的泡沫兼并效應(yīng),故硫酸鈉的加入可提高泡沫的穩(wěn)泡性:但疏水鏈較長(zhǎng)時(shí),APG表面活性劑的負(fù)電性弱,反離子作用弱,而無(wú)機(jī)鹽增加液體表面張力的作用更強(qiáng),無(wú)機(jī)鹽濃度越高,表面張力越大,泡沫體系能量越高,泡沫的穩(wěn)定性越低。

5.體系pH值對(duì)APG泡沫性能的影響
設(shè)定溫度為25℃、APG質(zhì)量濃度為4g/L,測(cè)得其在不同pH值條件下的泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間,結(jié)果如圖7、圖8所示。

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由圖7可知,pH值對(duì)APG系列表面活性劑的起泡性能影響相對(duì)較小。中性條件下,APG起泡性最好,酸性條件下,隨著酸性的增強(qiáng),起泡性略有下降,而堿性條件下,隨著堿性的增強(qiáng),起泡性有所提高。酸堿性可能會(huì)影響APG分子間或者與水分子之間的作用力,進(jìn)而影響其起泡性能。

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由圖8可知,APG在酸性條件下,酸性增強(qiáng),穩(wěn)泡性下降,堿性條件下,堿性增強(qiáng),穩(wěn)泡性提升,中性條件下穩(wěn)泡性相對(duì)較好,強(qiáng)堿條件下的穩(wěn)泡性接近于中性。APG10在強(qiáng)堿條件下,穩(wěn)泡性甚至優(yōu)于中性條件。酸堿性可能會(huì)破壞APG親水基團(tuán)葡萄糖苷與水分子間形成的氫鍵,降低泡沫的表觀粘度,而不利于泡沫的穩(wěn)定性。但在強(qiáng)堿條件下,氫氧化鈉質(zhì)量濃度足夠高時(shí),會(huì)提高發(fā)泡原液的粘度,減緩泡沫的排液速率而有利于泡沫穩(wěn)定性,Na+較多時(shí),也會(huì)提高泡沫穩(wěn)定性。

6.硬水對(duì)APG泡沫性能的影響
設(shè)定溫度為25℃、APG質(zhì)量濃度為4g/L,分別選用硬度以碳酸鈣計(jì)為0.342g/L的硬水和去離子水進(jìn)行發(fā)泡,測(cè)得其泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間,如圖9、圖10所示。

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由圖9、圖10可知,APG泡沫性能會(huì)受硬水影響,硬水會(huì)降低APG的起泡性和穩(wěn)泡性;因?yàn)锳PG表面活性劑在溶液中會(huì)有一定的負(fù)電性,受兩價(jià)金屬離子的不利影響比較大,鈣鎂離子使部分APG膠束發(fā)生聚集,形成更大的膠束團(tuán),故會(huì)降低APG的泡沫性能。


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