烷基糖苷系列表面活性劑泡沫性能研究

王雪峰　張建娟

摘要：采用DFAl00動(dòng)態(tài)泡沫分析儀，對(duì)烷基糖苷（APG）系列表面活性劑在不同條件下的的泡沫性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：隨著APG疏水性增加，泡沫性能先提高后降低，疏水鏈碳數(shù)為10時(shí)，泡沫性能最好；質(zhì)量濃度增加，APG泡沫性能提高，但到一定質(zhì)量濃度時(shí)泡沫性能趨于穩(wěn)定；溫度對(duì)APG的泡沫性能影響較大，溫度升高，APG泡沫性能下降；無(wú)機(jī)鹽硫酸鈉質(zhì)量濃度增高，APG0810、APGIO泡沫性能有所提高，而疏水鏈較長(zhǎng)的APGl214泡沫性能略有下降；pH值對(duì)APG的泡沫性能影響不大；硬水會(huì)降低APG的泡沫性能。

關(guān)鍵詞：DFAl00動(dòng)態(tài)泡沫分析儀；烷基糖苷；泡沫性能

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，少水節(jié)能的泡沫染整加工備受關(guān)注。泡沫整理是將起泡劑與化學(xué)整理品混合后，以物理的方式制造成出含大量空氣的泡沫，并通過(guò)施加裝置將其均勻地分布在待處理織物上的一種加工整理技術(shù)。泡沫整理過(guò)程中，起泡劑主要是表面活性劑，其泡沫性能對(duì)加工效果起著重要作用，不同功能整理對(duì)泡沫性能的要求不同，故對(duì)表面活性劑泡沫性能的研究具有重要的意義。

烷基糖苷（alkyl polyglUCOSides，APG）是20世紀(jì)90年代以來(lái)開(kāi)發(fā)的一類(lèi)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，在酸等催化下脫去一分子水生成的產(chǎn)物，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)、聚合度為1.4～1.8的烷基糖苷，探究APG分子結(jié)構(gòu)及外界因素對(duì)其泡沫性能的影響，以期為泡沫整理中起泡試劑的選用提供依據(jù)。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

DFA100動(dòng)態(tài)泡沫分析儀（德國(guó)Krtiss公司），HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州國(guó)華電器有限公司）。

APG類(lèi)表面活性劑（工業(yè)級(jí)，臨沂市蘭山區(qū)綠森化工有限公司，通式為（C6H11O6）OR，其中APG08（R=C8），APGlO（R=C10），APG0810（R=C8-10），APGl214（R=C12-14））、無(wú)水硫酸鈉（AR，天津市津北精細(xì)化工有限公司）、硫酸（AR，浙江三鷹化學(xué)試劑有限公司）、無(wú)水乙酸（AR，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）、無(wú)水乙酸鈉（AR，南京化學(xué)試劑有限公司）、無(wú)水碳酸鈉（AR，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）、碳酸氫鈉（AR，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）、氫氧化鈉（AR，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）、無(wú)水氯化鈣（AR，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）、氯化鎂（AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）、海藻酸鈉（CR，南京化學(xué)試劑有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

采用DFA100動(dòng)態(tài)泡沫分析儀，量取恒溫水浴的待測(cè)液40 mL置于樣品杯內(nèi)，以4 000 r/min的速率攪拌待測(cè)液20 s，攪拌結(jié)束后持續(xù)穩(wěn)泡340 s，在此過(guò)程中測(cè)試泡沫性能指標(biāo)。

1.3泡沫性能測(cè)試

1.3.1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23 s時(shí)的泡沫高度，單位men。數(shù)值大，表示起泡性好。

1.3.2排液50%的時(shí)間Dso

排液50%的時(shí)間Dso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。

2.結(jié)果與討論

2.1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。

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，HLB值主要影響溶液中的表面活性劑單分子和膠束的量。HLB值大，親水性好，疏水性差，溶液中單分子為主，膠束量少；HLB值小，親水性差，疏水性好，溶液中膠束為主，單分子量少，且膠束較穩(wěn)定，不利于起泡；HLB值適中，溶液中表面活性劑單分子和膠束的量比例適中，表面活性劑單分子有利于起泡，而不穩(wěn)定的表面活性劑膠束則可解體成單分子并快速擴(kuò)散吸附到新生氣液界面，保持液體動(dòng)態(tài)表面張力的平衡，也有利于泡沫的形成。疏水鏈短的APG08，HLB值大，泡沫性能較差，疏水鏈長(zhǎng)的APGl214，HLB值小，泡沫性能也較差，而APGl0的HLB相對(duì)適中，泡沫性能較好。

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。

2.2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陆怠Ｔ蚴茿PG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。

2.3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。

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APGl214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。總之，溫度增高，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。

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。

2.4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4 g/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。

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，APGl214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。

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。

2.5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4 g/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。

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。

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。

2.6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4 g/L，分別選用硬度以碳酸鈣計(jì)為0.342 g/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。

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。

3.結(jié)論

a）疏水鏈長(zhǎng)對(duì)APG的泡沫性能影響較明顯，疏水鏈較長(zhǎng)或者較短都會(huì)降低APG的泡沫性能；APG質(zhì)量濃度增加，泡沫性能提高，但到一定質(zhì)量濃度時(shí)泡沫性能趨于穩(wěn)定，綜合考慮，APG10在質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)的泡沫性能為最佳。

b）溫度對(duì)APG類(lèi)表面活性劑的泡沫性能影響較大，溫度升高，其泡沫性能下降，故APG在室溫20～25℃之間使用泡沫性能較佳。

c）無(wú)機(jī)鹽硫酸鈉對(duì)APG泡沫性能影響各異，硫酸鈉質(zhì)量濃度增高，疏水較短的APG泡沫性能有所提升，而疏水鏈較長(zhǎng)的APG1214泡沫性能略有下降；體系pH值對(duì)APG的泡沫性能影響不大，但水質(zhì)有一定影響，水質(zhì)太硬會(huì)降低APG的泡沫性能。