基于十二烷基硫酸鈉復(fù)配發(fā)泡體系性能測(cè)試

趙亞楠，朱元昭，吳笑顏，李亞男，汪青

（1.中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州451191；2.河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州451191；3.河南省紡織建筑設(shè)計(jì)院，河南 鄭州450007）

基于十二烷基硫酸鈉復(fù)配發(fā)泡體系性能測(cè)試

趙亞楠1，2，朱元昭1，2，吳笑顏3，李亞男1，2，汪青1，2

（1.中原工學(xué)院紡織學(xué)院，河南 鄭州451191；2.河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州451191；3.河南省紡織建筑設(shè)計(jì)院，河南 鄭州450007）

選取生物降解性較好的十二烷基硫酸鈉為發(fā)泡劑，與單一或復(fù)合穩(wěn)泡劑形成發(fā)泡體系，測(cè)試各工藝參數(shù)對(duì)其泡沫性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L和復(fù)配穩(wěn)定劑濃度為0.8～2 g/L時(shí)，泡沫發(fā)泡體積最大，半衰期最長(zhǎng)；十二醇和羧甲基纖維素鈉（CMC）的最佳復(fù)配比例為4∶6；攪拌速度越大，發(fā)泡體積越大，半衰期越長(zhǎng)，泡沫尺寸越小越細(xì)膩；穩(wěn)定劑濃度越大，泡沫越小。

十二烷基硫酸鈉；復(fù)配穩(wěn)定劑；泡沫性能；表面張力

0　引言

近年來(lái)，環(huán)境污染、資源匱乏等問(wèn)題日益突出，人們對(duì)節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保日益重視，這就要求各行各業(yè)研究者對(duì)綠色環(huán)保技術(shù)進(jìn)行大力開發(fā)，完善相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)。眾所周知，印染行業(yè)是耗水、耗能、排污較大的加工過(guò)程，因此節(jié)水低能耗的泡沫染色技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，相關(guān)發(fā)泡體系的研究接踵而至［1-3］。發(fā)泡劑主要為各種類型的表面活性劑，包括陽(yáng)離子型、非離子型、陰離子型、兩性型表面活性劑和綠色環(huán)保、降解徹底的烷基糖苷、蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑，其中最常用的發(fā)泡劑為陰離子型表面活性劑。這類表面活性劑發(fā)泡性、穩(wěn)定性、毒性和生物降解性較好，成本適中，故得到廣泛使用［4-5］。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)泡沫性能方面的研究較多。Dame Cecile等［6］研究了十二烷基硫酸鈉和生物降解性優(yōu)異的烷基糖苷的物理化學(xué)性能，以及與凈化用泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系。Zhao Lin等［7］介紹了發(fā)泡劑耐溫和耐鹽性能，討論了在石油精煉中的應(yīng)用，此研究表明季銨鹽類表面活性劑、十二醇、甜菜堿的復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和半衰期比甜菜堿單一發(fā)泡劑效果好，并研究復(fù)配發(fā)泡劑的耐溫和耐鹽性能。譚思思等［8］對(duì)活性染料泡沫染色液的起泡性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，將十二醇和瓜爾膠進(jìn)行復(fù)配形成穩(wěn)定的發(fā)泡體系。本文基于之前的研究，選用發(fā)泡性能和生物降解性均較好的十二烷基硫酸鈉為發(fā)泡劑，對(duì)增強(qiáng)型、增黏型穩(wěn)定劑及其復(fù)配體系進(jìn)行系統(tǒng)研究，并分析了各參數(shù)對(duì)泡沫性能的影響。

1　試驗(yàn)

1.1試劑與儀器

試劑十二烷基硫酸鈉SDS（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），十二醇（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司），羧甲基纖維素鈉CMC（自制），改性瓜爾膠（自制）。

儀器電動(dòng)攪拌機(jī)（天津市華興科學(xué)儀器廠），測(cè)速儀（溫州盛測(cè)儀器儀表有限公司），QBZY-2全自動(dòng)表面張力儀（上海方瑞儀器有限公司），激光顯微鏡（日本Keyence），精度量杯（廣州洛浦有限公司），奧豪斯天平（深圳市佳博特實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1發(fā)泡體積測(cè)試方法

試驗(yàn)采用機(jī)械攪拌法進(jìn)行發(fā)泡。首先用量筒量取100 mL配制好的發(fā)泡液，加入500 mL的精細(xì)刻度量杯中，置于帶有兩葉攪拌棒的電動(dòng)攪拌機(jī)下攪拌，控制攪拌速度。3 min后停止攪拌，記錄發(fā)泡上液面體積為V1，初始發(fā)泡溶液體積為V0，則發(fā)泡體積為V2（V2=V1-V0）。測(cè)試并記錄五次，求平均值。試驗(yàn)溫度為20℃。

1.2.2泡沫半衰期測(cè)試方法

采用上述機(jī)械攪拌法進(jìn)行發(fā)泡。待攪拌停止后，析出（V-V0）/2體積發(fā)泡液時(shí)的時(shí)間，即半衰期T1/2，測(cè)試并記錄五次，求平均值。其中V為100 mL，試驗(yàn)溫度為20℃。

1.2.3表面張力測(cè)試方法

首先以2次蒸餾水和純乙醇為標(biāo)準(zhǔn)物，對(duì)儀器的整體測(cè)試誤差自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將40 mL發(fā)泡液倒入50 mL小燒杯中，置于全自動(dòng)表面張力儀的測(cè)試臺(tái)中間，測(cè)試臺(tái)正上方為清洗并經(jīng)酒精燈干燥的鉑金板，然后按下測(cè)試臺(tái)上升按鈕，發(fā)泡液慢慢接近鐵片至接觸一定深度，測(cè)試臺(tái)自動(dòng)停止，待表面張力示數(shù)穩(wěn)定后記錄。測(cè)試三次，求平均值。

1.2.4泡沫尺寸測(cè)試方法

將攪拌好的泡沫置于潔凈玻璃皿表面，經(jīng)3D掃描顯微鏡對(duì)泡沫進(jìn)行對(duì)焦，調(diào)節(jié)目鏡使泡沫清晰可見(jiàn)，將經(jīng)顯微鏡掃描拍照后的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至電腦，記錄泡沫平均尺寸。

2　結(jié)果與討論

2.1發(fā)泡劑濃度的確定

發(fā)泡液組分為十二烷基硫酸鈉、十二醇、自來(lái)水，其中十二醇的濃度選定為0.3 g/L，攪拌速度為1 100 r/min，通過(guò)改變十二烷基硫酸鈉的濃度進(jìn)行發(fā)泡。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，隨著十二烷基硫酸鈉濃度的增加，發(fā)泡體積和半衰期逐漸增大，當(dāng)達(dá)到3 g/L后開始逐漸減小。這是因?yàn)殚_始時(shí)少量的發(fā)泡劑吸附在溶液和空氣界面，混合空氣攪拌后，液氣界面上的發(fā)泡劑分子數(shù)量少，只能形成少量泡沫，泡沫界面膜強(qiáng)度低，泡沫半衰期較短；隨著發(fā)泡劑濃度的增加，溶液的表面張力大大降低，界面發(fā)泡劑的分子數(shù)量增加，當(dāng)濃度達(dá)到臨界膠束濃度后，液氣界面的發(fā)泡劑吸附量達(dá)到最大值，界面膜強(qiáng)度增大，發(fā)泡體積和半衰期也達(dá)到最大值；繼續(xù)增大濃度，發(fā)泡劑分子形成較多膠束，使得泡沫形成較少，析液較快，不穩(wěn)定。故染色時(shí)發(fā)泡劑較佳濃度為3 g/L。

2.2穩(wěn)定劑的選取

2.2.1不同類型穩(wěn)定劑對(duì)泡沫性能的影響

試驗(yàn)選取十二醇、CMC、海藻酸鈉和改性瓜爾膠作為穩(wěn)定劑，并分別進(jìn)行發(fā)泡，測(cè)試其發(fā)泡體積和半衰期。發(fā)泡劑SDS濃度為3 g/L，穩(wěn)定劑濃度為0.3 g/L，攪拌速度為1 100 r/min。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　不同類型穩(wěn)定劑的泡沫性能

由表1可知，加入穩(wěn)定劑的發(fā)泡液的發(fā)泡體積大小排序?yàn)槭迹綜MS＞瓜爾膠＞海藻酸鈉＞CMC，且瓜爾膠、海藻酸鈉的發(fā)泡體積相差不大；半衰期長(zhǎng)短排序?yàn)槭迹綜MC＞海藻酸鈉＞瓜爾膠。十二烷基硫酸鈉以C12H25SO4-的形式吸附在氣泡液膜上，形成雙分子吸附膜，C12H25SO4-的負(fù)電荷間產(chǎn)生電排斥性致使C12H25SO4-在液膜中無(wú)法形成緊密排列，見(jiàn)圖2，表面黏度較低，穩(wěn)泡作用差。當(dāng)加入十二醇后，非離子型的十二醇可插入兩個(gè)C12H25SO4-負(fù)離子之間形成排列緊密的混合膜，見(jiàn)圖3，在混合膜中由于分子間的排列間距縮小，增強(qiáng)了分子間的相互作用，非極性碳?xì)滏滈g的范德華力的增加有利于界面黏度的增加，同時(shí)十二醇非離子的插入會(huì)使C12H25SO4-負(fù)離子間的電排斥性減弱，界面膜強(qiáng)度提高。海藻酸鈉和CMC的加入使半衰期提高，是因?yàn)殡S著泡沫的黏度增加，界面膜液體的流動(dòng)性降低，其析液速率降低，泡沫半衰期增長(zhǎng)。瓜爾膠的加入使泡沫性能稍變差，其中CMC對(duì)十二烷基硫酸鈉發(fā)泡液的增黏效果最好。綜合發(fā)泡體積與半衰期，選用十二醇與CMC復(fù)配來(lái)增強(qiáng)其泡沫性能。

2.2.2穩(wěn)定劑復(fù)配比例對(duì)泡沫性能的影響

十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L，穩(wěn)定劑（十二醇與CMC復(fù)配）濃度為0.3 g/L，選取不同復(fù)配比例的穩(wěn)定劑進(jìn)行攪拌法發(fā)泡，攪拌速度為1 100 r/min，室溫20℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，十二醇與CMC的不同復(fù)配比對(duì)發(fā)泡體積的影響不大，但對(duì)半衰期影響較大，復(fù)配后半衰期均比單一穩(wěn)定劑大，且當(dāng)其復(fù)配比例為4∶6時(shí)達(dá)到最大。這是因?yàn)槭寂cCMC復(fù)配后具有協(xié)同增效的作用，提高了泡沫的黏彈性［9］，而且十二醇分子中的醇羥基與CMC中的羧基、羥基形成氫鍵和范德華力，與水分子形成氫鍵，可鎖住水分子，使界面膜液體不易析出，同時(shí)氣液界面發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑分子的空間結(jié)構(gòu)更緊密、相互間的作用力更強(qiáng)，形成的液膜強(qiáng)度增加，半衰期增加，但是當(dāng)CMC含量增加至一定數(shù)值時(shí)，CMC分子量很大，體積明顯大于發(fā)泡劑，泡沫界面液體中的CMC大分子數(shù)量增多，使界面液膜中疏水基的密度減小，分子間的范德華力減小，所以半衰期大大降低。

2.2.3穩(wěn)定劑復(fù)配比例對(duì)發(fā)泡液表面張力的影響

十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L，穩(wěn)定劑濃度為0.3 g/L，選取下列穩(wěn)定劑復(fù)配比例進(jìn)行攪拌法發(fā)泡，攪拌速度為1 100 r/min，室溫20℃，測(cè)試其表面張力，五次測(cè)試結(jié)果非常接近，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖5可以看出，隨著穩(wěn)定劑中CMC含量的增加，發(fā)泡液的表面張力越來(lái)越大，但是當(dāng)復(fù)配比例為4∶6時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即復(fù)配比例為4∶6。結(jié)合圖4可知，拐點(diǎn)處的泡沫性能最佳，當(dāng)CMC的濃度在拐點(diǎn)之前，發(fā)泡液的表面張力較低，發(fā)泡性能較好；在拐點(diǎn)之后，CMC的濃度繼續(xù)增大，表面張力增大，其泡沫性能變差，這是因?yàn)镃MC超過(guò)一定濃度后，由于CMC大分子的體積大、空間位阻大，使得氣液界面上SDS分子的非極性基長(zhǎng)碳鏈分布的密度降低，導(dǎo)致發(fā)泡液表面張力增大，使泡沫界面膜的間距變大，泡沫密度變小，半衰期下降，泡沫性能變差。

2.2.4復(fù)配穩(wěn)定劑濃度對(duì)泡沫性能的影響

SDS濃度為3 g/L，以十二醇和CMC的比例為4∶6復(fù)配穩(wěn)定劑，改變其濃度，研究其發(fā)泡體積和半衰期。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可以看出，隨著穩(wěn)定劑的加入，發(fā)泡液的發(fā)泡量會(huì)降低，且隨濃度的增大有不同程度的減少，而半衰期呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)穩(wěn)定劑濃度為0.8～2 g/L時(shí)，發(fā)泡液的綜合泡沫性能較好。

2.3攪拌速度對(duì)泡沫性能的影響

2.3.1攪拌速度對(duì)發(fā)泡體積和半衰期的影響

在室溫20℃，發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L、穩(wěn)定劑濃度為0.3 g/L和十二醇與CMC的復(fù)配比例為4∶6條件下進(jìn)行攪拌法發(fā)泡，研究攪拌速度對(duì)泡沫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

由圖7可以看出，隨著攪拌速度的增大，發(fā)泡體積、半衰期均隨之增大，且當(dāng)攪拌速度小于1000r/min時(shí)，泡沫的綜合性能很差；當(dāng)攪拌速度大于1000r/min時(shí)，泡沫性能大大提高。這是因?yàn)樵跀嚢杷俣容^低時(shí)，發(fā)泡量較少，泡沫間液膜較厚，排液較快；在攪拌速度較高時(shí)，發(fā)泡量較大，發(fā)泡劑分子、穩(wěn)定劑分子分布均勻，相鄰分子之間的作用力較強(qiáng)，泡沫的黏彈性較好，不易排液，所以發(fā)泡性能較好。

2.3.2攪拌速度對(duì)泡沫尺寸的影響

發(fā)泡劑濃度為3 g/L，改變穩(wěn)定劑濃度和攪拌速度，研究其對(duì)泡沫尺寸的影響，其中轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 400、1 600 r/min，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度分別為0.7、2.0 g/L。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖7、圖8和圖9可以看出，相同穩(wěn)定劑濃度的發(fā)泡液隨攪拌速度增高，發(fā)泡量越大，半衰期增長(zhǎng)，泡沫的體積變得越小，更加均勻，主要由于攪拌的速度增大，帶入的空氣量增多，發(fā)泡體積增大；在攪拌速度相同的條件下，發(fā)泡液中穩(wěn)定劑的濃度越高，泡沫越小，但發(fā)泡體積略有降低。

3　結(jié)論

（1）綜合考慮發(fā)泡體積、半衰期和成本，在SDS時(shí)濃度為3 g/L、穩(wěn)定劑濃度在0.8～2 g/L時(shí)，其泡沫性能較好，可滿足需要。

（2）穩(wěn)定劑復(fù)配后其泡沫性能高于單一穩(wěn)定劑，十二醇和CMC具有協(xié)同增效的作用，且當(dāng)復(fù)配比例為4∶6時(shí)發(fā)泡體積和半衰期達(dá)到最大值，泡沫性能最好。用CMC取代十二醇，降低穩(wěn)定劑十二醇的異味和毒性。

（3）在發(fā)泡液中加入CMC，可以提高溶液的表面張力，且在一定濃度范圍內(nèi)對(duì)溶液的黏度影響不大，超過(guò)一定濃度后，黏度大大增加，但泡沫性能下降。

（4）泡沫的發(fā)泡體積和半衰期隨攪拌速度的增加而提高，泡沫尺寸隨之增加而減小。相同轉(zhuǎn)速條件下，穩(wěn)定劑濃度越高，泡沫越小越細(xì)膩。

［1］ 陳英，車迪，張倩潔.紡織品泡沫染整的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2013（10）：34-38

［2］ ELBADAWI A M，PEARSON J S.Foam Technology In Textile Finishing［J］.Textile Progress，2003，33（4）：1-31.

［3］ 賀志鵬，吳贊敏.泡沫染整研究進(jìn)展［J］.染整技術(shù)，2012，34 （5）：16-19.

［4］ ZHAO Lin，LI Aifen，CHEN Kai，et al.Development and evaluation of foaming agents for high salinity tolerance［J］.Journal of Petro leum Science and Engineering，2012，81：18-23.

［5］ 李珂.染整用泡沫體系及其在紡織品加工過(guò)程中的滲透行為研究［D］.天津工業(yè)大學(xué)，2013.

［6］ DAME Cecile，F(xiàn)RITZ Christelle，PITOIS Olivier，et al.Relations between physicochemicalpropertiesandinstabilityofdecontamina tion foams［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochem，2005，263：210-218.

［7］ 譚思思，余弘，王元豐.活性染料泡沫染色液的起泡性及穩(wěn)定性［J］.紡織學(xué)報(bào)，2013，34（11）：71-76.

［8］ 閆戈.AGES系列表面活性劑的合成和性能研究［D］.成都：成都西南石油學(xué)院，2005：48-50.

Compounded foam system properties determination based on sodium dodecyl sulfate

ZHAO Yanan1，2，ZHU Yuanzhao1，2，WU Xiaoyan3，LI Yanan1，2，WANG Qing1，2
（1.Zhongyuɑn University of Technology School of textiles，Henɑn 451191，Chinɑ；2.Henɑn Textile ɑnd Gɑrment Synergy Innovɑtion Center，Henɑn 451191，Chinɑ；3.Henɑn Textile&Architecture Design Co.，Ltd.，Henɑn 450007，Chinɑ）

Due to the good biodegradability，the sodium dodecyl sulfate is used as foaming agent and the foaming system with single or composite stabilizing agents is formed.The performance of the bubble affected by the process parameters is determined.The experiment result shows that the bubble volume is the largest and the half-life period is the longest when the concentration of sodium dodecyl sulfate is 3 g/L and the concentration of the compound stabilizer is 0.8～2 g/L.The best mix ratio of lauryl alcohol and sodium carboxymethyl cellulose（CMC）is 4∶6.Generally，the bubble size is smaller and exquisite with the greater stirring speed，the larger foam volume and the longer half-life period.The bubble size is smaller with the greater stabilizer concentration.

sodium dodecyl sulfate，distribution of stabilizing agents，foam performance，surface tension

TS107

A

1001-7046（2016）03-0015-05

2016-04-29

趙亞楠（1992-），女，碩士研究生，主要從事紡織清潔印染與功能方面的研究。