1. 目的(前言)

　　無論在工業(yè)生產(chǎn)還是家庭生活中，泡沫在很多工藝和過程中都扮演著重要的角色。有時(shí)泡沫是作為必要存在的，還會(huì)被看做是產(chǎn)品的典型特質(zhì);例如洗發(fā)水和啤酒上的泡沫。泡沫經(jīng)常對(duì)產(chǎn)品的性能做出重要貢獻(xiàn)，例如在清洗作業(yè)中。另一方面，泡沫會(huì)破壞生產(chǎn)工藝，例如在紡織和造紙工業(yè)中，因此必須阻止它的產(chǎn)生。

　　所以根據(jù)不同的應(yīng)用，泡沫必須被專業(yè)化的生產(chǎn)、控制或消除，它的性能也要符合規(guī)定要求。在許多表面活性起到作用的領(lǐng)域，泡沫對(duì)讓我們可以對(duì)產(chǎn)品和工藝進(jìn)行優(yōu)化。這樣的研發(fā)需要我們對(duì)泡沫的形成和行為(在物理和分子層面上)有基本的理解，以及擁有運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法研究實(shí)際應(yīng)用的能力。適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法在這里是至關(guān)重要的。

　　泡沫的復(fù)雜性導(dǎo)致了其相關(guān)的發(fā)展應(yīng)用非常廣泛。測(cè)試方法也十分多樣化。不同的方法之間的本質(zhì)或許是一致的，但是不同的測(cè)試方法之間也很難相互作對(duì)比。因此，我們認(rèn)為，對(duì)運(yùn)用在多種應(yīng)用中的測(cè)試方法進(jìn)行研究和比較才是有效的手段。

　　標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法幫助產(chǎn)品用指定方法進(jìn)行測(cè)試，在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的測(cè)試結(jié)果也可以實(shí)現(xiàn)有效溝通。實(shí)驗(yàn)方法隨著自動(dòng)化的升級(jí)不斷被優(yōu)化。

　　本手冊(cè)旨在從理論和實(shí)際的角度出發(fā)，對(duì)泡沫進(jìn)行分析處理。其應(yīng)用領(lǐng)域具有多樣性，因?yàn)樗梢猿尸F(xiàn)需求及其面臨的問題。本手冊(cè)主要針對(duì)產(chǎn)品開發(fā)人員、實(shí)驗(yàn)室的配方研發(fā)人員。同時(shí)，它對(duì)泡沫工藝和操作過程同樣有用。

　　在下文的泡沫理論說明中，對(duì)表面活性劑和消泡劑的性質(zhì)都有描述。這樣的表面活性物質(zhì)在泡沫應(yīng)用中起著重要作用。它們可以用于泡沫的產(chǎn)生和控制也可以實(shí)現(xiàn)特定的泡沫性能。

　　其次，泡沫的許多實(shí)際問題會(huì)被描述。當(dāng)需要特殊的泡沫質(zhì)量，就要有強(qiáng)大的發(fā)泡系統(tǒng);當(dāng)泡沫是不利的影響因素、必須被破壞和抑制時(shí)，小體積的可調(diào)節(jié)的低發(fā)泡系統(tǒng)就可以派上用場(chǎng)。

　　在討論過泡沫測(cè)試的普遍問題后，在最后為各個(gè)應(yīng)用的一般測(cè)試方法做了一個(gè)總結(jié)。然而，還有很多其他的很特殊的測(cè)試沒有包含在此手冊(cè)中。另外，我們只處理液體泡沫，尤其是水性體系，這也是此泡沫實(shí)驗(yàn)的根本因素。

2.泡沫的結(jié)構(gòu)

　　泡沫可以被定義為分散在液體中的氣體，在泡沫中占有大部分體積的是氣體。泡沫在熱動(dòng)力學(xué)上是不穩(wěn)定的而且會(huì)逐步衰減。而衰減的時(shí)間范圍變化很大。短暫存在的泡沫通過表面活性分子在幾秒內(nèi)衰減然后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。通過聚合物或表面活性劑穩(wěn)定的泡沫也許會(huì)存在幾個(gè)小時(shí)甚至幾天。在實(shí)踐中遇到的泡沫大多涉及到水溶液。

　　有兩種典型的泡沫結(jié)構(gòu)，他們被視作是極限情況，他們通常以其德文名稱示人：

　　??Kugelschaum

　　氣泡是球形的，這種氣泡結(jié)構(gòu)是典型的高含水量的而且通常在泡沫形成后不久被觀察到。

　　??Polyederschaum

　　多面體氣泡被液膜分離，三張液膜會(huì)交成一線，這就是Plateau 界面(以比利時(shí)物理學(xué)家Joseph Plateau命名 1801-1883)這種結(jié)構(gòu)(如圖一所示)，會(huì)在泡沫往外排水后形成。之后液體的體積會(huì)變小。

　　圖一：泡沫結(jié)構(gòu)

　　泡沫的排水會(huì)讓它們逐漸從Kugelschaum轉(zhuǎn)變到Polyederschaum。圖二為我們展示了這兩種泡沫在泡沫柱中已耗盡的過程。排水過程在粘性液體中很緩慢，因此這有利于Kugelschaum泡沫結(jié)構(gòu)。

　　圖二：泡沫柱結(jié)構(gòu)

　　在靜態(tài)的泡沫柱中，排水導(dǎo)致泡沫中液體量減少。與此同時(shí)，形成的薄的液體片層逐漸破裂，從而泡沫就破裂了。因此，這個(gè)破裂過程包含了結(jié)構(gòu)上的改變，還有泡沫體積的減小。

　　動(dòng)態(tài)泡沫柱的發(fā)生，例如當(dāng)泡沫因注入空氣、循環(huán)和連續(xù)噴射而產(chǎn)生。在經(jīng)過一定時(shí)間后會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.穩(wěn)定和衰變機(jī)理

　　純凈的液體不會(huì)起泡，因?yàn)楸∧ぴ跊]有吸附層在液體表面時(shí)不能穩(wěn)定。表面活性劑，作為表面活性劑，需要具有穩(wěn)泡性能。依據(jù)穩(wěn)定劑的類型和濃度不同，吸附層可能是流動(dòng)的也可能是非流動(dòng)的。非流動(dòng)的吸附層通常產(chǎn)生在聚合物中，往往會(huì)使泡沫更穩(wěn)定。

　　泡沫的穩(wěn)定性和衰變一般由多種機(jī)理決定。有些用于隔離薄膜，而其在薄膜之間的聯(lián)結(jié)點(diǎn)同樣起著重要作用。

a) 薄膜

　　穩(wěn)定的泡沫，只有在液體上的薄膜足夠穩(wěn)定不會(huì)破裂時(shí)才會(huì)形成。這樣的薄膜也會(huì)產(chǎn)生于金屬框或者肥皂泡中。由于這些機(jī)理，泡沫可以穩(wěn)定的：

　　●Gibbs-Marangoni機(jī)理

　　薄膜的厚度可能是有波動(dòng)的，考慮到一部分可能已經(jīng)變薄就如圖三所示。

　　圖三：Gibbs-Marangoni 機(jī)理

　　界面的表面活性劑覆蓋率降低，會(huì)增加表面張力。表面張力的梯度造成表面活性劑分子的遷移，會(huì)修復(fù)在這過程中的缺陷。修復(fù)機(jī)理中很重要的一方面是表面活性劑分子遷移到薄弱點(diǎn)時(shí)會(huì)隨之拖帶液體。Gibbs-Marangoni機(jī)理在表面活性劑濃度中等時(shí)是最有效的。如果表面活性劑濃度過低，擴(kuò)散時(shí)間就會(huì)很長而且界面只能覆蓋部分。若表面活性劑濃度高，從本體溶液的吸附會(huì)很快而且在膜薄的部分的表面覆蓋率會(huì)增加。

　　●表面粘度

　　吸附層間的分子間作用力阻止了分子的相對(duì)滑移。這就造成了表面粘度，它被看作是模擬了三維體積粘度的二維粘度。

　　●表面彈性

　　當(dāng)表面活性劑分子有強(qiáng)相互作用時(shí)，相應(yīng)的薄膜不僅有高表面粘度還有強(qiáng)的表面彈性，這兩個(gè)效果都會(huì)讓薄膜趨于穩(wěn)定或者導(dǎo)致相關(guān)的泡沫結(jié)構(gòu)。

　　●空間位阻和靜電斥力

　　離子系統(tǒng)中雙電子層之間的斥力讓液膜趨于穩(wěn)定。頭部基團(tuán)的空間位阻效應(yīng)(例如聚環(huán)氧乙烷)或者被吸附的聚合物也可以阻止片層的破裂。范德華力在這里起了相反的作用，它會(huì)破壞膜。

　　●液體的微觀結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑會(huì)在體相中聚集。在薄膜中，可能會(huì)形成液晶層結(jié)構(gòu)[2]。這讓液膜通過減緩排水更具穩(wěn)定性。

B）泡沫穩(wěn)定性

　　在泡沫中影響其穩(wěn)定性的因素有很多。

　　●Plateau 界面吸力

　　因?yàn)橐耗ぴ赑lateau界面的曲率，此處壓力會(huì)低于液膜的。這個(gè)結(jié)果可由拉普拉斯方程計(jì)算出：壓力、表面張力和曲率的關(guān)系(圖四)。這幅圖給我們顯示了Plateau 界面的橫截面。當(dāng)我們運(yùn)用拉普拉斯方程時(shí)，要重視的是：Plateau界面的曲率半徑對(duì)界面吸引力有消弱，因?yàn)閺囊后w一側(cè)看表面是凸起的。液體從液膜中排出到Plateau界面，這些膜層會(huì)逐漸變薄。這可以讓它們達(dá)到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)：薄膜表面之間的斥力、分離壓可以平衡“排水力”[3].液膜的排水過程因液體粘度很高被減緩。

圖四，Plateau界面橫截面

　　●流動(dòng)性的膜

　　在流動(dòng)性的膜中，移動(dòng)往往向著薄弱點(diǎn)的，這個(gè)現(xiàn)象被稱作是臨界恢復(fù)。

　　●由于重力而產(chǎn)生的排水

　　液體通過Plateau邊界向下流動(dòng)。

　　 ●溶劑蒸發(fā)

　　在敞開容器中，泡沫會(huì)緩慢蒸發(fā)。這會(huì)讓液膜的厚度變薄，尤其是上部的泡沫。

　　其他影響泡沫形成和穩(wěn)定性的因素

　　當(dāng)氣體和液體混合時(shí)，氣泡生成，又會(huì)被液體的動(dòng)力打破。如果穩(wěn)定劑阻止了液體迅速的結(jié)合，泡沫將因此形成。氣泡的豐富程度取決于與液體混合的氣體量和機(jī)械應(yīng)力(剪切速率)。通過一些測(cè)試方法，可以系統(tǒng)的改變這些參數(shù)。然而在多數(shù)情況下，這些定量的參數(shù)是不明確的，即使有很明確的定性的差異。因此用不同的方法來比較泡沫的產(chǎn)生通常是很困難的。

　　泡沫也可以通過飽和液體中的氣泡成核而形成。這個(gè)機(jī)理在碳酸飲料的應(yīng)用中尤其重要。

　　因?yàn)榕菽姆€(wěn)定需要表面活性，我們可以理解為降低表面張力會(huì)對(duì)起泡過程有益。雖然降低表面張力對(duì)發(fā)泡來說是在正常不過的要求，起泡程度和表面張力之間不存在一般相關(guān)性。若我們對(duì)起泡的瞬時(shí)進(jìn)行研究，起泡和表面張力動(dòng)力學(xué)似乎更相關(guān)，而且這在一些基礎(chǔ)研究中已經(jīng)被觀察到了.

泡沫分析儀常用于泡沫穩(wěn)定性測(cè)試

　　泡沫穩(wěn)定劑

　　我們可以將泡沫穩(wěn)定劑分為以下幾類：

　　●表面活性小分子

　　短鏈醇和羧酸是這類發(fā)泡劑的典型。他們可以產(chǎn)生短暫的泡沫。 通常泡沫穩(wěn)定性隨著濃度的增加最大化。這可以用Gibbs-Marangoni機(jī)理解釋。

　　●形成膠束的表面活性劑

　　典型的表面活性劑形成穩(wěn)定泡沫。隨著表面活性劑的濃度增大到一個(gè)極限值，泡沫的壽命增加。

　　●聚合物

　　具有兩親性(親水和親油)的聚合物會(huì)是非常有效的泡沫穩(wěn)定劑。有個(gè)我們都知道的例子：啤酒，它其中的泡沫就是來源于蛋白質(zhì)。

　　●部分互溶的液體

　　表面活性就是液體系統(tǒng)類似于相分離，泡沫向相邊界接近的趨勢(shì)大大增強(qiáng)。

　　●非水性泡沫

　　非水性的泡沫可能在蒸餾容器中造成問題[6],石油生產(chǎn)[7]和碳?xì)淙剂蟍8]。在某些方面，相同的原理可以用于水性或者非水性的系統(tǒng)。本體和界面的粘度可能對(duì)烴類泡沫也有很大的影響。