氣相二氧化硅/季銨Gemini表面活性劑穩(wěn)定的泡沫體系

孫小祥　陳　宇　趙劍曦

(福州大學化學化工學院膠體界面化學研究所，福州350108)

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氣相二氧化硅/季銨Gemini表面活性劑穩(wěn)定的泡沫體系

孫小祥陳宇趙劍曦*

(福州大學化學化工學院膠體界面化學研究所，福州350108)

以zeta電位法研究了季銨Gemini表面活性劑亞甲基-α,ω-雙(十二烷基二甲基溴化銨)(12-s-12,s=2, 6)在水溶液中修飾氣相二氧化硅(F-SiO2)粒子。這些粒子隨表面活性劑濃度C增加經歷了表面從原先的親水到疏水再重新親水的改變，其中疏水粒子可以自發(fā)吸附在氣泡液膜中，從而很好地穩(wěn)定泡沫。重新親水的粒子脫附出液膜，僅留下表面活性劑穩(wěn)定氣泡。強的液膜彈性對應于穩(wěn)定的泡沫。聯(lián)接鏈長度影響了Gemini 在F-SiO2粒子表面的吸附，因而也影響了液膜的彈性和對泡沫的穩(wěn)定。超短s=2聯(lián)接鏈的12-2-12由于反離子解離不完全而帶有較少的正電荷，在粒子表面的初始吸附弱于12-6-12，但因此減少了吸附分子頭基間的靜電排斥，可以形成更致密的吸附層。由于12-2-12本身比12-6-12具有更強的界面吸附能力，F(xiàn)-SiO2粒子和12-2-12的協(xié)同作用可以更好地穩(wěn)定泡沫體系。

氣相二氧化硅粒子；Gemini表面活性劑；表面改性；泡沫穩(wěn)定性

www.whxb.pku.edu.cn

1　引言

泡沫是具有重要應用的分散體系1－6，它的形成和穩(wěn)定需要表面活性劑幫助。相比于乳液，長期暴露于空氣中的氣泡更難被穩(wěn)定2。兩親性的固體微粒也能自發(fā)富集在氣/液界面形成粒子層，這層粒子由于彼此間的摩擦不易被解體7，因此能夠很好地穩(wěn)定氣泡。常用于此的納米或微米級的固體微粒有二氧化硅8,9、膠乳10,11、金屬微粒12,13等。

氣相二氧化硅(F-SiO2)是常用的精細化學品，通過在氫氧焰中燃燒揮發(fā)性的硅烷(例如四氯化硅)得到初始粒子，經降溫凝結成多粒子聚集體，再進一步簇集成最終的商品化產品14，這些粒子已經被用于穩(wěn)定乳液15,16。表面化學改性可以得到兩親性的固體粒子，但更為便捷和價廉的方法是在水溶液中原位吸附表面活性劑來實現(xiàn)粒子表面的兩親性改造17,18。本文選擇季銨Gemini表面活性劑亞甲基-α,ω-雙(十二烷基二甲基溴化銨)(簡記為12-s-12,s=2,6)來修飾F-SiO2。這個系列Gemini表面活性劑的自組織性質已被廣泛研究19，它們具有比相應單體表面活性劑(十二烷基三甲基溴化銨，C12TABr)更強的界面吸附能力，因此被期望能很好地改性F-SiO2。聯(lián)接鏈是Gemini分子的重要結構基團，其長度強烈影響了它們的自組織19，本文重點考察兩個典型長度聯(lián)接鏈對改性微粒進而穩(wěn)定泡沫的影響。

2　實驗部分

2.1試劑

氣相二氧化硅(Degussa Aerosil 200，德國產)，99.8%純度，BET法測得比表面積為(200±25)m2· g－1。商品的透射電鏡(TEM)照片見圖1。12-s-12由本實驗室合成，其純度經核磁共振氫譜(1H NMR)和元素分析檢測20，分子結構如示意圖1所示。

圖1　氣相二氧化硅透射電鏡圖Fig.1　Transmission electron microscope(TEM)image of the fumed silica

示意圖1　Gemini表面活性劑12-s-12化學結構式Scheme 1　Chemical structure of the Gemini surfactant 12-s-12

2.2泡沫生成與性質測試

泡沫形成及性質測試用自制的裝置21。在底部帶有玻璃砂芯的起泡管(管內徑25 mm，高度140 mm)中加入5 mL試液，待溫度恒定后，氣體以固定流速68 mL·min－1經毛細管通入起泡管底部，測定生成20 mL泡沫的進氣時間(t·min－1)。將生成泡沫體積與進氣體積之比Rv定義為溶液起泡性參數(shù)：

式中S為氣體流速(mL·min－1)，可由流量計讀出。

在停止進氣后，測定20 mL泡沫衰減至一半所需的時間t1/2，作為泡沫的穩(wěn)定性參數(shù)。實驗溫度通過恒溫水浴保持在(25.0±0.1)°C。

2.3Zeta電位測定

用zeta電位儀(ZetaPlus，美國Brookhaven儀器公司)測定。測試樣品在25°C下恒溫振蕩72 h以達到吸咐平衡。移取1.5 mL溶液置于比色皿中，插上電極，放入樣品池中。靜置30 min后，利用光散射原理測定帶電微粒在外電場下的遷移，進而計算zeta電位(ζ)。每個樣品測定10次取平均值為最終的zeta電位值。

2.4界面膜粘彈性質測定

用光學視頻接觸角測量儀(OCA-20，德國Dataphysics)及振蕩滴附件ODG-20測定。從注射管中擠出一滴合適大小的溶液，固定在裝有與待測液相似溶液的恒溫玻璃池中。待液滴平衡后，通過由馬達控制的活塞運動對平衡液滴進行正弦擾動，液滴表面積和半徑隨之按正弦變化。在事先測定的線性粘彈區(qū)范圍內，固定相對面積變化dA/A為6%，擾動頻率為0.01－1 Hz(按對數(shù)平均分布為13個頻率)。電荷耦合(CCD)攝像機以50張/秒的速率拍錄振蕩過程，由軟件計算振蕩過程中各個周期的面積變化(dA)以及對應的表面張力變化(dr)，得ε*=dr/AdA，再由下式求得擴張彈性ε和擴張粘性η：

式中θ為擴張模量的角，ω為界面面積正弦變化的頻率。以上實驗測試在25°C進行。

3　結果與討論

3.1F-SiO2粒子表面原位疏水化

圖2　氣相二氧化硅顆粒(0.05%(w))的zeta電位(ζ)隨表面活性劑濃度變化Fig.2　Zeta potential(ζ)of fumed silica particles (0.05%(w))as a function of concentration of 12-2-12(○)or 12-6-12(□)

F-SiO2粒子表面原位疏水化依靠F-SiO2粒子在水溶液中原位吸附表面活性劑來完成。圖2為FSiO2/Gemini溶液的ζ隨表面活性劑濃度(C)變化的半對數(shù)曲線，可見隨著C增大，ζ的值從初始的負值(－22.8 mV)快速上升，越過零ζ值后呈正值地趨向平臺。這個變化趨勢在微粒/陽離子表面活性劑體系被普遍觀察到，反映了表面活性劑在微粒表面的吸附22,23：初始吸附通過靜電吸引進行，表面活性劑以其陽離子頭基附著在負電性的微粒表面，烷烴尾鏈朝向溶液，這減小了粒子的負電性(表現(xiàn)為ζ的上升)，同時增加了粒子的疏水性。在零ζ值之后，烷烴尾鏈間的疏水相互作用主導了進一步的吸附，新吸分子通過其尾鏈與已吸附分子尾鏈間的相互作用實現(xiàn)了在粒子表面的定向富集，這增加了粒子的正電性，也使粒子重新獲得親水性。以Gemini為例的吸附機理示意于圖3中。從溶液表觀看(圖3)，在零ζ值附近樣品出現(xiàn)了明顯的沉淀(圖2兩個箭頭中間的區(qū)域)，對應了吸附機理指明的疏水性粒子表面，在吸附更多表面活性劑使粒子重新呈現(xiàn)明顯親水性后，樣品又再次澄清。

兩個Gemini表面活性劑達到零ζ值對應的濃度Cz=0分別為0.049 mmol·L－1(s=2)和0.014 mmol·L－1(s=6)，前者高于后者，這與Gemini的聯(lián)接鏈長度有關。已知這個Gemini系列的聯(lián)接鏈伸直長度(ds)可由下式計算：ds=0.127(s+1)24，ds分別為0.381 nm(s=2)和0.889 nm(s=6)。在它們的單體表面活性劑C12TABr膠束中，兩個季銨頭基的靜電平衡距離約為0.9 nm24，相當于s=6時的聯(lián)接鏈伸直長度，可見12-2-12的兩個離子頭基被強制性地拉近了距離。先前研究表明25，在這樣超短的頭基距離(s=2)下反離子的解離受到限制，12-2-12的正電性要小于+2，這使得中和微粒表面電荷要求的濃度要高于12-6-12。由于電性排斥減小，12-2-12分子可以排列得更緊密，更多的吸附使得它最終具有比12-6-12略微更高的正ζ值平臺。二者吸附的比較示意圖見圖4。

圖3　氣相二氧化硅(0.05%(w))與12-2-12(a)或12-6-12(b)共存下的溶液表觀照片F(xiàn)ig.3　Appearance of the dispersion of fumed silica particles(0.05%(w))in the presence of 12-2-12(a)and 12-6-12(b)with different concentrations

圖4　Gemini表面活性劑雙層吸附的示意圖Fig.4　Schematic of the adsorbed bilayers of Gemini surfactants

3.2泡沫生成與穩(wěn)定

泡沫的生成能力可以用Rv表征，其定義見式(1)。圖5為Rv－lgC曲線，隨著C增大，Rv增加至平臺。平臺值Rvmax分別為2.88(F-SiO2/12-2-12)和2.68(F-SiO2/12-6-12)，表明這兩個體系具有相近的泡沫生成能力，前者稍微更強些。

圖5　F-SiO2(0.05%(w))/表面活性劑混合體系起泡性能(Rv)與表面活性劑濃度的半對數(shù)曲線Fig.5　Semilogarithmic plots of foamability(Rv)of F-SiO2(0.05%(w))/surfactant mixed systems against surfactant concentration

當泡沫塌陷至原先高度一半時的時間(t1/2)常用來表征泡沫的穩(wěn)定性26。圖6(a)為t1/2隨12-2-12濃度變化的半對數(shù)曲線，可見當C增大，t1/2快速增大到極大值，然后下降至極小值后再一次增大到平臺。圖中同時給出單純12-2-12(無F-SiO2)的t1/2曲線，它的t1/2隨C單調上升至平臺，這個平臺值與F-SiO2/12-2-12的一致。結合微粒表面疏水化機理(3.1節(jié))，可解讀F-SiO2/12-2-12曲線為：第一階段的上升是由F-SiO2微粒吸附主導，隨后的下降是微粒表面重新親水后脫附所致，之后t1/2的再上升是過剩12-2-12的吸附。需要提到，即使是微粒吸附主導的階段，并存的自由12-2-12吸附也同時進行，但參考單純12-2-12的t1/2曲線可見，此時12-2-12對穩(wěn)定泡沫的貢獻很小。在微粒脫附后，表面活性劑濃度已達到其獨自發(fā)揮效果的階段，t1/2因此又重新上升。由這些討論可見，固體粒子與12-2-12是在競爭和協(xié)同中發(fā)揮了穩(wěn)定泡沫的作用。

圖6　泡沫穩(wěn)定性(t1/2)與表面活性劑濃度(C)的半對數(shù)曲線Fig.6　Semilogarithmic plots of foam stability(t1/2)against surfactant concentration(C)

F-SiO2/12-6-12的t1/2曲線也呈現(xiàn)了上升再下降的過程。如3.1節(jié)討論，12-6-12在F-SiO2粒子表面的覆蓋不像12-2-12那樣緊密，這樣改性粒子的疏水性稍遜，這既影響它的t1/2極大值遠不如F-SiO2/12-2-12體系，也應該是t1/2曲線的下降延續(xù)了一段較寬濃度范圍的原因(圖6(b))。在這個階段，自由12-6-12的吸附已開始實質性地發(fā)揮穩(wěn)定泡沫的作用，其結果掩蓋了t1/2下降的極小值，直接使其趨向單純12-6-12效應的平臺。

對F-SiO2微粒主導吸附膜的階段，極大值t1/2,max分別為820 min(F-SiO2/12-2-12)和245 min(F-SiO2/ 12-6-12)。前者是后者的3倍多，顯示了明顯更強的對泡沫的穩(wěn)定能力。如上面討論，比起12-6-12，12-2-12修飾的F-SiO2粒子具有更致密的烷烴鏈覆蓋表面，它可以構成更理想的微粒主導的液膜，進而更好地穩(wěn)定泡沫。上述比較都說明了聯(lián)接鏈長度的影響，盡管兩者長度只相差4個碳原子，但t1/2,max差了3倍多，體現(xiàn)了Gemini表面活性劑的魅力。

圖7　F-SiO2/12-2-12(a)和單純12-2-12(b)的界面擴張彈性(ε)隨頻率(v)變化的實驗曲線Fig.7　Experimental plots of interfacial elasticity(ε)for F-SiO2/12-2-12(a)and single 12-2-12(b)aqueous solutions as a function of frequency(v)

3.3吸附膜的擴張粘彈性

圖7為F-SiO2/12-2-12和單純12-2-12在不同濃度時的擴張彈性ε隨擾動頻率v曲線，可見這些吸附膜的ε均依賴于v，不同擾動頻率時ε的數(shù)值不同。擴張粘性η數(shù)值也同樣依賴于擾動頻率(曲線見圖S1(見Supporting Information))，這與文獻21,27報道一致。不同的擾動頻率v意味著不同的響應時間，在低頻擾動時，各種微觀過程有足夠的時間響應，包括粒子/表面活性劑在氣/液界面的吸附和解吸，界面上吸附單元的重排等；當擾動頻率高時，響應時間急劇減少甚至幾乎消失，此時的吸附膜就像不溶膜28,29。

圖8　F-SiO2/12-2-12(a)和單純12-2-12(b)的界面擴張彈性ε與表面活性劑濃度的半對數(shù)圖Fig.8　Semilogarithmic plots of dilational interfacial elasticity(ε)for F-SiO2/12-2-12(a)and 12-2-12(b)as a function of surfactant concentration

ε的變化也呈現(xiàn)出對表面活性劑的濃度依賴，圖8直接給出ε與C關聯(lián)圖像。與單純12-2-12相比(圖8(b))，F(xiàn)-SiO2/12-2-12混合膜的ε出現(xiàn)了兩個峰(圖8(a))。F-SiO2/12-6-12的情況類似，也出現(xiàn)了兩個ε峰(圖S2)。對單純表面活性劑吸附膜，ε－lgC的峰值現(xiàn)象已被歸結為兩個方面效應的結果27：一是濃度增加導致界面吸附量(Γ)增大，由此增加了膜的彈性；另一是加速了表面活性劑分子在界面和溶液體相之間的交換，這能快速抹平界面張力梯度dγ，降低ε。兩個效應的綜合結果表現(xiàn)為低濃度時由彈性增加主導，在高濃度時彈性減小，因此出現(xiàn)了極大值。當作為氣泡穩(wěn)定劑時，兩親性的固體微粒在很多方面與表面活性劑類似7。但是情況常常更加復雜30－32，例如當前觀察到的兩個ε－lgC極大值。

結合上兩節(jié)討論，F(xiàn)-SiO2/Gemini的兩個ε－lgC峰應該分別對應F-SiO2粒子和Gemini混合吸附以及F-SiO2粒子脫附后的單純12-2-12吸附，這是粒子吸附表面活性劑產生的表面疏水和再次親水的結果。比較而言，F(xiàn)-SiO2/12-2-12混合膜的ε高于單純的12-2-12，表明粒子穩(wěn)定泡沫的效果更好。

圖9　F-SiO2/12-2-12(a)和F-SiO2/12-6-12(b)體系的界面擴張彈性ε和泡沫穩(wěn)定性t1/2的比較Fig.9　Comparison between interfacial elasticity(ε)and foam stability presented as t1/2for F-SiO2/12-2-12(a)and F-SiO2/12-6-12(b)

圖9關聯(lián)了粒子吸附階段的膜彈性ε與泡沫穩(wěn)定性t1/2，可見兩者趨勢很好地一致：膜彈性越強，氣泡越穩(wěn)定。在單純表面活性劑穩(wěn)定的泡沫體系中，這個結論已經被獲得21,27,33－36。當前的結果表明，這個關聯(lián)性不僅存在于純表面活性劑穩(wěn)定的泡沫體系，也適用固體微粒作為氣泡穩(wěn)定劑的場合。

4　結論

Gemini表面活性劑12-2-12和12-6-12都能有效地修飾F-SiO2。聯(lián)接鏈長度強烈影響了Gemini表面活性劑對F-SiO2粒子的修飾，超短的s=2聯(lián)接鏈造就的12-2-12由于反離子解離不完全，在粒子表面的初始吸附弱于12-6-12，但因此減少了吸附分子頭基間的靜電排斥，可以形成更致密的吸附層。改性F-SiO2粒子和表面活性劑分子在泡沫液膜的競爭和協(xié)同吸附可以很好地穩(wěn)定泡沫，穩(wěn)定效果優(yōu)于單純表面活性劑。相比較而言，F(xiàn)-SiO2/12-2-12穩(wěn)定泡沫的效果更好，泡沫最大半衰期時間t1/2,max是F-SiO2/12-6-12的3倍多。與單純表面活性劑穩(wěn)定泡沫的體系類似，F(xiàn)-SiO2/Gemini構成的泡沫液膜其彈性越強，氣泡也就越穩(wěn)定。

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Foams Stabilized by Fumed Silica Particles with a Quaternary Ammonium Gemini Surfactant

SUN Xiao-XiangCHEN YuZHAO Jian-Xi*
(Institute of Colloid and Interface Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering, Fuzhou University,Fuzhou 350108,P.R.China)

Fumed silica(F-SiO2)particles were hydrophobized in situ in aqueous solutions of alkanediyl-α,ωbis(dodecyldimethylammonium bromide)(12-s-12,s=2,6)gemini surfactants.This process was assessed using zeta potential measurements.The particles were found to transit from their original hydrophilic nature to hydrophobic and then back to hydrophilic with increases in the surfactant concentration(C).The hydrophobic particles could spontaneously adsorb at the air/water interface,resulting in significant stabilization of aqueous foams.The re-hydrophilic particles desorbed from the interface,leaving only surfactant molecules to stabilize the foam.The strong interfacial elasticity of the surface films was reflected in the highly stable foams.The length of the surfactant spacer also affected the adsorption of the gemini surfactant on the F-SiO2particles,and therefore had an effect on the elasticity of the adsorbed film and the stability of the foam.The 12-2-12 surfactant, having a relatively short spacer,carried less positive charges because of the incomplete dissociation of its counter ions,resulting in less initial adsorption on the F-SiO2particles compared with the 12-6-12,but eventually formed a denser monomeric layer because of decreased repulsion between the adsorbed molecules.The 12-2-12 exhibited stronger adsorption at the air/water interface;therefore,the synergistic action of the F-SiO2particles together with the 12-2-12 produced better foam stabilization compared with the 12-6-12.

Fumed silica particle;Gemini surfactant;Surface modification;Foam stability

March 8,2016;Revised:April 28,2016;Published on Web:May 4,2016.

O647

10.3866/PKU.WHXB201605042

*Corresponding author.Email:jxzhao.colloid@fzu.edu.cn;Tel:+86-591-22866338.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21273040,21473032).

國家自然科學基金(21273040,21473032)資助項目

?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

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