短鏈兩親分子及表面活性劑與親水顆粒協(xié)同穩(wěn)定的泡沫.pdf

1、泡沫是氣體分散在液體中形成的分散體系。泡沫體系具有較大的界面面積和較高的表面能,具有減少界面面積使其能量降到最低的自發(fā)趨勢,泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。根據(jù)熱力學(xué)原理可知,純液體是難以形成氣泡的,除非有穩(wěn)定劑存在。常用的泡沫穩(wěn)定劑主要有三類:表面活性劑、高分子聚合物和固體顆粒。
　　 顆粒穩(wěn)定的泡沫直到最近才受到比較大的關(guān)注,而且人們對它的研究興趣很大程度上來自對顆粒穩(wěn)定乳液的成功研究。顆粒穩(wěn)定泡沫的機理日漸成熟,主要包括以下三個方

2、面:顆粒在氣/液界面形成吸附膜,會提高泡沫的聚并和歧化穩(wěn)定性；顆粒在氣泡間的薄液膜內(nèi)形成層狀結(jié)構(gòu),會提高泡沫的排液穩(wěn)定性,并且還會增大最大毛細管壓力提高氣泡的聚并穩(wěn)定性；有時氣泡之間顆粒的橋連作用,也會大大提高泡沫的穩(wěn)定性。
　　 在很多研究工作中,化學(xué)改性的球形二氧化硅顆粒和聚苯乙烯小球顆粒常被用作泡沫穩(wěn)定劑。顆粒的形狀、大小、濃度和憎水性是影響泡沫穩(wěn)定性質(zhì)的主要因素。合適的顆粒憎水性可以通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)合成、表面改性、或者通過

3、調(diào)整顆粒水分散體系的pH和電解質(zhì)濃度來實現(xiàn)。另外,吸附合適的短鏈兩親分子或表面活性劑在固體顆粒表面可以將最初親水的固體顆粒原位改性。這種方法在泡沫浮選中有著廣泛的應(yīng)用,但是其制備超穩(wěn)定泡沫的潛力和多功能性最近才得到證明。
　　 由于短鏈的兩親小分子和顆粒協(xié)同穩(wěn)定泡沫的研究報道較少,本文首先對盤狀鋰皂石顆粒和正己胺共同穩(wěn)定的泡沫體系進行了系統(tǒng)研究。繼而研究了層狀雙金屬氫氧化物(LDH)顆粒和短鏈脂肪酸鹽共同穩(wěn)定的泡沫體系。鑒于固體

4、顆粒和長鏈表面活性物質(zhì)協(xié)同穩(wěn)定泡沫重要的理論意義和實際應(yīng)用價值,我們還研究了鋰皂石顆粒和不同碳鏈長度的季銨鹽類陽離子表面活性劑共同穩(wěn)定的泡沫。
　　 本文的主要內(nèi)容包括以下三部分:
　　 1.鋰皂石顆粒和正己胺共同穩(wěn)定的泡沫體系
　　 與長鏈表面活性劑相比,短鏈的雙親分子在水溶液中具有高的溶解度和高的臨界聚集濃度,因此更適合應(yīng)用在固體顆粒含量相對較高的分散體系中。
　　 本文用短鏈的有機胺(正己胺)和盤狀

5、鋰皂石顆粒的混合體系制備得到穩(wěn)定的泡沫。首先,通過紅外光譜和zeta電位測定證明了正己胺分子在實驗條件下,通過強的靜電作用和氫鍵相互作用吸附到固體顆粒表面上,從而使得固體顆粒表面部分疏水化。沒有正己胺存在時,鋰皂石顆粒表面具有強負電性,zeta電位約為-64 mV。隨著加入正己胺濃度的增加,zeta電位先增加后達到一平臺值(在大約為-30 mV附近保持不變),說明此時正己胺在鋰皂石顆粒表面吸附達到飽和。
　　 鋰皂石顆粒表面吸附

6、正己胺,可以使其部分疏水,進而導(dǎo)致分散體系發(fā)生弱絮凝,這都促進了鋰皂石在氣泡表面的吸附。固定固體顆粒的濃度,隨著正己胺濃度的增加,起泡性和泡沫穩(wěn)定性都呈現(xiàn)先增加后達到平臺的規(guī)律；固定正己胺濃度,隨著固體顆粒濃度的增加,泡沫體系的排液穩(wěn)定性提高。光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)泡沫體系具有較高的歧化穩(wěn)定性。熒光共聚焦顯微鏡觀察表明氣泡表面由正己胺改性的鋰皂石顆粒包裹,這是泡沫穩(wěn)定的重要因素之一。另外,界面流變研究發(fā)現(xiàn)固體顆粒在氣/水界面上的吸附可以提高

7、界面的擴張粘彈性。界面上類凝膠層的形成可以減緩或阻止泡沫的排液和聚并。
　　 2.LDH顆粒和短鏈脂肪酸鹽共同穩(wěn)定的泡沫體系
　　 界面流變研究證明在氯化鈉或醋酸鈉存在時,可以促進LDH顆粒在氣/水界面上吸附,提高界面粘彈性。但是在含有氯化鈉或醋酸鈉的LDH分散體系中,都不能得到穩(wěn)定的泡沫,這與之前研究在氯化鈉的存在時,單獨的LDH顆粒就可以穩(wěn)定O/W乳狀液的情況不同。這是因為,氯化鈉和醋酸鈉的加入僅僅導(dǎo)致了分散體系的絮

8、凝,而對于固體顆粒表面的疏水性影響較小。
　　 由正丁酸鈉和帶正電荷的LDH顆粒的混合水分散體系可以制備得到穩(wěn)定的泡沫。因此,我們首先研究了正丁酸鈉的加入對于LDH顆粒zeta電位的影響,正丁酸鈉在LDH顆粒表面的吸附行為以及改性后的LDH顆粒在氣/水界面上的吸附。正丁酸鈉在LDH顆粒表面上的吸附等溫線呈L型。在低正丁酸鈉濃度時,正丁酸根離子主要“平躺”在顆粒表面。隨著正丁酸鈉濃度的增加,正丁酸根離子通過靜電吸引作用迅速吸附到L

9、DH顆粒表面。當(dāng)正丁酸鈉濃度高于50 mM時,吸附曲線達到平臺,此時正丁酸根離子在顆粒表面的吸附達到飽和。在所考察的正丁酸鈉濃度范圍內(nèi),LDH顆粒zeta電位先增加后達到平臺值,沒有出現(xiàn)零電位點和電性的反轉(zhuǎn)。吸附等溫線和zeta電位的測量共同證明了正丁酸根在LDH顆粒表面上為單層吸附。正丁酸根離子通過強靜電作用吸附到固體顆粒表面,疏水端向水相中伸展,從而使得LDH粒表面部分疏水化。
　　 通過簡單手搖LDH/正丁酸鈉混合水分散體

10、系30 s的方法即可制備得到穩(wěn)定的泡沫體系。在低正丁酸鈉濃度下,正丁酸根吸附到LDH顆粒表面的量較少,顆粒疏水改性程度較低,不足以吸附到氣/水界面上,因此不能形成穩(wěn)定的泡沫。隨著正丁酸鈉濃度增加,顆粒疏水性增加,表面部分疏水的LDH顆粒吸附到新形成的氣泡表面。最初形成的泡沫體系出現(xiàn)快速排液現(xiàn)象,但是卻具有高的聚并和歧化穩(wěn)定性。LDH/正丁酸鈉混合體系穩(wěn)定的氣泡體系為多分散的,并且在高的正丁酸鈉濃度時,體系中出現(xiàn)非球形的氣泡。將所得泡沫體

11、系在80℃下干燥,氣泡大小、形狀均不發(fā)生變化。熒光共聚焦顯微鏡和SEM觀察證明了氣泡表面由固體顆粒聚集體多層包裹。
　　 3.鋰皂石顆粒和不同碳鏈長度的季銨鹽類陽離子表面活性劑共同穩(wěn)定的泡沫
　　 首先,我們采用吸附等溫線、顆粒zeta電勢測定等手段研究了三種不同碳鏈長度的季銨鹽類陽離子表面活性劑(CTAB、DTAB,TTAB)在鋰皂石顆粒表面的吸附。季銨鹽類陽離子表面活性劑在鋰皂石顆粒表面的吸附等溫線呈“S”型,可以用

12、四區(qū)域模型來解釋,分別對應(yīng)著兩者之間的離子交換作用、范德華力吸附作用、表面活性劑在顆粒表面的半膠束化作用以及在體相中的膠束化作用。隨著表面活性劑的加入,顆粒zeta電勢的絕對值先減小,經(jīng)過零電勢點后又開始增大,最后保持不變。
　　 表面活性劑在固體表面的吸附等溫線的形狀主要取決于表面活性劑的臨界半膠束濃度(cmc)以及臨界膠束濃度(hmc)。表面活性劑同系物疏水鏈長每增加一個CH2,cmc和hmc減小3倍。隨著碳鏈增長,吸附量增

13、加；達到吸附平衡時所需表面活性劑濃度越低:CTAB　　 對于所研究的三種碳鏈長度的陽離子表面活性劑和鋰皂石共同穩(wěn)定的泡沫體系,泡沫性質(zhì)有一定的共同點。在固定的顆粒濃度下,泡沫的排液半衰期隨陽離子表面活性劑濃度的增加先增大后減小,最后保持不變。泡沫的穩(wěn)定性是與表面活性劑在鋰皂石上的吸附特性緊密相關(guān)的,通?？梢苑譃樗膫€區(qū)域:
　　 區(qū)域Ⅰ,CnTAB在鋰皂石顆粒表面的吸附量較少,此時的CnTAB主要平

14、躺在鋰皂石表面,此時顆粒疏水性較弱,不能形成穩(wěn)定的泡沫。區(qū)域Ⅱ,隨著CnTAB濃度的增加,吸附量迅速增加。CnTAB分子在鋰皂石顆粒表面形成吸附單層,顆粒帶電量較少,疏水性增加,顆粒發(fā)生聚集。泡沫穩(wěn)定性隨著表面活性劑的濃度增加而提高。當(dāng)顆粒發(fā)生最大絮凝時,顆粒的帶電量最少,疏水性最強,形成的泡沫最穩(wěn)定。區(qū)域Ⅲ,CnTAB在顆粒表面形成雙層吸附,顆粒表面重新變?yōu)橛H水性。泡沫的穩(wěn)定性降低。區(qū)域Ⅳ,CnTAB在鋰皂石顆粒表面的吸附量不變,Cn