黃原膠和納米二氧化硅對無氟泡沫性能的影響

王尚彬，歐紅香，薛洪來，曹海珍，王鈞奇，畢海普

（1 常州大學安全科學與工程學院，江蘇 常州 213164；2 江蘇鎖龍消防科技股份有限公司，江蘇 泰州 225753）

氟碳表面活性劑成為消防用水性成膜泡沫配方中的關鍵成分，但氟碳表面活性劑的高C—F 鍵強度使其在環境中具有生物持久性，在食物鏈中具有毒性和生物累積性[1]。因此開發無氟表面活性制備的滅火泡沫具有重要意義，但無氟泡沫其低界面自由能會使泡沫易破裂，導致無氟泡沫的穩定性不及氟碳泡沫[2]。之前大量研究人員關于如何穩定泡沫做出了較多的研究。早在100 年前，Ramsden[3]和Pickering[4]首次提出了粒子穩定泡沫的方法[5]。雖然顆粒穩定泡沫的方法始于一個世紀之前，但此方法的具體研究仍在進行，學者們在自己的研究中闡述了其穩定機理和應用效果[6-7]。顆粒在穩定泡沫和乳液方面的巨大作用在于其在流體界面上的高吸附能，它們不可逆地吸附在液-液和液-氣界面上。一旦顆粒固定在界面上，液滴和氣泡就具有了“像盔甲一樣的固體”的特性，可以抵抗粗化和老化過程，從而使泡沫能夠擁有較長壽命[8-10]。顆粒還可以減緩泡沫中的排水速度，因為它們增加了體積黏度，并聚集在泡沫液體平臺邊界中[11]。

在過去的研究中除了使用單一納米顆粒來穩定泡沫，研究人員發現水溶性聚合物，例如明膠、羧甲基纖維素和黃原膠（xanthan gum，XG）也有穩定泡沫的功能，這些聚合物通過提高泡沫黏度減少液體排放速度，從而提高泡沫的穩定性能[12-14]。因為消防泡沫的成分相對復雜，分子相互作用存在于各種組分中，尤其在表面活性劑之間[15]，所以為了獲得高度穩定的泡沫，則需要考慮不同機理的相互作用。然而，納米顆粒和水溶性聚合物的復合體系對多組分無氟表面活性劑的泡沫性能影響仍不清楚。因此，開展納米顆粒和水溶性聚合物影響多組分無氟表面活性劑性能研究具有重要意義。

本研究利用陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）、兩性離子表面活性劑椰油酰胺丙基甜菜堿（cocoamidopropyl betaine，CAB）和非離子表面活性劑無患子皂苷的復配體系作為環境友好型無氟泡沫滅火劑的關鍵成分，探索親水型二氧化硅納米顆粒（silica nanoparticles，NPs）和XG對表面活性劑復配體系的泡沫穩定性、發泡性及鋪展性的影響。本文研究將為納米顆粒和水溶性聚合物在無氟泡沫滅火劑中的應用提供實驗依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

實驗使用的無氟表面活性劑包括陰離子表面活性劑SDS（純度97%）、兩性離子表面活性劑CAB（純度37%）和天然表面活性劑無患子皂苷（無患子粉提取物）[16]。黃原膠（USP 級）。親水二氧化硅納米顆粒（純度99.9%，粒徑30nm，比表面積≥120m2/g）。

1.2 實驗方法

1.2.1 泡沫液的制備和表征

泡沫液由NPs、XG、SDS、CAB、無患子皂苷和蒸餾水組成，見表1。SDS、CAB 和無患子皂苷的質量分數為5%、5%和15%。NPs 的質量分數為1%和3%，XG 的質量分數為0.05%和0.1%。表1列出了本研究中使用的配方。在磁力攪拌下將NPs和XG 添加到表面活性劑復配體系中得到泡沫液，泡沫液與蒸餾水6∶94混合得到泡沫分散液。在所有測試中，使用KQ-250B 超聲分散儀對攪拌均勻的混合物進行10min處理，然后再使用。

表1 泡沫液組成成分（質量分數，%）

使用QBZY-2 全自動表面張力儀和DV-1 數字黏度計分別表征了泡沫分散液的表面張力和黏度。在本研究中，每個實驗至少重復3次。

1.2.2 測試方法

（1）發泡性能測試 采用改進的Ross-Miles發泡性測試方法表征泡沫分散液的發泡能力[17]。從圓柱形容器中泡沫分散液的上表面到球形漏斗的釋放口的距離為1m。水循環系統保持40℃溫度恒定。將球形漏斗中的200mL 泡沫分散液釋放到內部裝有50mL 泡沫分散液的圓柱形容器中。當球形漏斗中的泡沫分散液撞擊圓柱形玻璃容器中泡沫分散液的上表面時產生泡沫。泡沫高度逐漸增加，直到所有200mL分散液完全釋放。測量初始泡沫高度h0以表征發泡能力。

（2）泡沫穩定性能測試 使用雙注射器技術，雙注射器技術包括兩個由直徑為5mm 的短管連接的注射器，兩個注射器的體積均為60mL。一個注射器含有40mL 氣體，另一個注射器含有20mL 泡沫分散液。通過將泡沫分散液和氣體反復推過連接管，形成泡沫。泡沫分散液通過連接管30 次后形成均質泡沫。發泡后將兩個注射器分開，然后將含有泡沫的注射器倒置在桌子上，記錄泡沫排出過程[18]。基于此方法，針對不同的泡沫分散液，以相同的初始體積生成泡沫，使用Phenix生物顯微鏡記錄泡沫粗化過程，評估泡沫粗化。

（3）泡沫鋪展性能測試 采用空氣壓縮方式產生泡沫，圖1 顯示了用于產生泡沫和記錄泡沫鋪展的設備，將泡沫分散液與壓縮空氣先經過螺旋槳進行初步發泡，接著在發泡腔進行二次充分發泡。泡沫在汽油表面的鋪展由攝像機記錄。通過MATLAB 圖像處理獲得泡沫擴散面積隨時間的變化圖。

圖1 泡沫生成和泡沫擴散性能測試裝置的示意圖

2 結果與討論

2.1 泡沫分散液性能

表2為泡沫分散液的表面張力和黏度的測試結果。除NX-4#外，泡沫分散液之間的黏度表現出較小的差異，范圍在2.27～2.62mPa·s。NPs 和XG單獨穩定SDS/CAB/無患子皂苷泡沫分散液時，隨著穩定劑的增加，泡沫分散液的黏度增加，并且從表2中可看出NPs對于泡沫分散液在黏度上的影響小于XG 所帶來的影響。當NPs、XG 協同作用時，在NPs 質量分數3.0%和XG 質量分數0.1%濃度下（NX-4#），泡沫分散液的黏度高于其他組，達到3.31mPa·s，這說明表面活性劑、NPs、XG 之間的分子相互作用產生了協同增稠效果。XG 在分散液中聚集并纏結，形成膠束鏈。納米粒子的加入，形成了膠束-粒子結，導致物理交聯膠束聚集體的形成，有效地連接了兩個或多個膠束鏈，從而產生額外的黏性[19]。

表2 泡沫分散液的性能

圖2 為9 種泡沫分散液的動態表面張力測試結果。 所有泡沫分散液的平衡表面張力（equilibrium surface tension，EST） 均在60s 內達到，泡沫分散液之間的EST 表現出很小的差距，范圍在28.94～30.28mN/m 之間，該值在臨界膠束濃度下SDS 的EST（34.43mN/m）[20]、臨界膠束濃度下無患子皂苷的EST（41.30mN/m）[21]和臨界膠束濃度下CAB 的EST（34.51mN/m）[22]之下，添加NPs、XG 后，仍有大量的SDS、CAB 和無患子皂苷分子在空氣/液體界面共存，并且復配后隨著表面活性劑添加量的增加，處于界面的表面活性劑分子濃度變大，增大了表面活性劑分子中疏水基與水分子之間的斥力，從而使表面張力降低。NX-4#的表面張力低于其他泡沫分散液，表明在泡沫分散液中添加相對較多的NPs 和XG 可產生較高的表面活性。

圖2 泡沫分散液的動態表面張力

2.2 泡沫性能

2.2.1 發泡性

9 種泡沫分散液的發泡能力如圖3 所示。泡沫溶液的發泡能力隨質量分數1.0%NPs 的加入而降低，但NPs 的質量分數提升到3.0%時，泡沫分散液的發泡能力提升。當NPs量足夠時，帶負電的親水性NPs 和SDS 之間的排斥靜電相互作用促進了SDS對空氣/液體界面的吸附，使SDS、CAB和無患子皂苷之間的相互作用更為強烈[23]。泡沫分散液的發泡性能隨XG 加入而下降，并隨著XG 濃度的增加而進一步下降。XG 的加入提高了泡沫分散液的黏度，發泡過程中減少了溶液與空氣的接觸，抑制了溶液發泡。當XG 質量分數固定在0.05%時，SDS/CAB/無患子皂苷發泡性能隨NPs 的增加而提高。然而，XG 質量分數固定在0.05%時，SDS/CAB/無患子皂苷發泡性能隨著添加質量分數1.0%的NPs略有增加，隨著NPs濃度的增加發泡性能幾乎不變。發泡能力通常受到許多因素的影響，包括表面張力、黏度、表面活性劑的結構和類型、靜電荷等[9]。結果表明，發泡能力的變化顯然不遵循基于表面張力或黏度的單一趨勢。

圖3 泡沫分散液的起泡性隨NPs和XG濃度的變化

2.2.2 泡沫穩定性

重力引起的排水和泡間片層引起的粗化是泡沫破裂的兩個基本過程。圖4為使用雙注射器技術由9種泡沫分散液生成的泡沫圖像。由圖4(a)所示，9組泡沫分散液的初始泡沫體積相同。600s 后大部分液體因重力的影響從泡沫中排出，隨著液體排出，泡沫的上層表面沒有發生明顯的變化。這種現象常見于泡沫研究中使用的雙注射器技術中，不會影響泡沫排水結果的有效性[24]。從表3泡沫半衰期可知，XG 和NPs 對于泡沫分散液都有抑制泡沫析液的效果。X-2#的泡沫半衰期大于N-2#的泡沫半衰期，說明XG 對于泡沫分散液的抑制效果高于NPs。XG 和NPs 協同作用時，泡沫半衰期隨XG 和NPs 增加而增加，說明XG 和NPs 在抑制泡沫析液方面具有協同作用。XG 通過提高系統黏度來提高泡沫穩定性[25]，NPs 通過在氣液界面的排列來延遲泡沫排水[26]。

圖4 通過雙注射器技術由9種泡沫分散液產生的泡沫

表3 泡沫分散液半衰期

可通過表3 選取添加NPs、XG 和NPs/XG 半衰期最長的配方。圖5 顯示了NX-0#、N-2#、X-2#和NX-4#泡沫形態隨時間的變化，在開始30s 時，四種泡沫分散液的泡沫非常小，大部分為幾十微米，大的不超過了200μm，并且能夠看出明顯的三維結構。因為大小不同泡沫之間的壓差，導致泡沫不斷粗化和聚并。在泡沫粗化過程中，各組泡沫的形態出現了一些變化。NX-0#的泡沫在600s 時泡沫的數量明顯減少，從N-2#、X-2#可以看出單獨加入XG 或NPs 對泡沫的粗化有抑制作用，并且兩者之間具有相近的抑制效果。NX-4#相比于其他三組在發泡30s時保持更多細小泡沫，并且在600s時仍然保留大量細小泡沫。

圖5 泡沫粗化過程

2.2.3 泡沫鋪展性

圖6 顯示了NX-0#、N-2#、X-2#和NX-4#泡沫在汽油表面的鋪展過程。該過程大概分為兩個階段：在第一階段，產生的泡沫堆積在泡沫出口下方，依靠重力的作用泡沫向四周擴散，泡沫擴散的形狀為非圓形；在第二階段，泡沫接觸到托盤的邊緣，擴散進一步受到限制。最后，泡沫以增加的泡沫量覆蓋住整個托盤。相比Sheng 等[27]對氟化泡沫擴散的研究，此無氟配方沒有形成水膜的過程。

NX-0#、N-1#、N-2#、X-1#、X-2#、NX-1#、NX-2#、NX-3#和NX-4#泡沫擴散時間分別為32s、33s、34s、33s、38s、33s、35s、39s 和44s。泡沫性能，如排水性、粗化性，通常受泡沫分散液的表面張力和黏度的影響，并可能同時促進泡沫的擴散[28]。

圖7 繪制了NX-0#、N-2#、X-2#和NX-4#泡沫擴散速率隨時間的變化圖，進一步分析泡沫的鋪展性能。如圖7 所示，NX-0#、N-2#、X-2#和NX-4#出現多處波槽，這種現象的原因是系統新產生的泡沫主要用于在波谷發生時添加較厚的泡沫層。因此，泡沫在垂直和水平方向上擴散。泡沫的垂直擴散導致了泡沫厚度的增加，并隨著與泡沫層中心距離的增加而逐漸減小。泡沫在水平方向的擴散主要受垂直方向的厚度梯度驅動。由于不同泡沫配方的黏性摩擦水平不同，其對泡沫擴散的阻力也不同。摩擦阻力越大，泡沫擴散所需的高度梯度就越高，因此泡沫在水平方向上的擴散速度就越慢。NX-0#、N-2#、X-2#和NX-4#分別出現了9、10、12和14處波槽，說明NX-0#具有更好的擴散性能。NX-0#泡沫分散液的低黏度是影響其良好擴散性能的重要因素。

圖7 X-2#、N-2#、NX-0#和NX-4#瞬時擴散速率隨時間的變化圖

3 結論

在本研究中，研究了XG和NPs 增強SDS/CAB/無患子皂苷分散液泡沫性能方面的協同效應，產生更加穩定的泡沫。對于XG 和NPs 在不同濃度下對泡沫性能影響進行了詳細的研究，在高濃度下，XG 和NPs 對泡沫的排水和粗化有顯著的影響。主要結論如下。

（1）XG 和NPs 的濃度對發泡有著顯著影響。質量分數3.0%的NPs 可以有效地提高SDS/CAB/無患子皂苷溶液的發泡性能，但XG總是降低發泡能力，通過控制XG 和NPs 的濃度，可以獲得NPs/XG/SDS/CAB/無患子皂苷溶液相對較好的發泡能力（195mm）。

（2）NPs在低濃度下穩定泡沫的能力高于低濃度下的XG，隨著兩者濃度的增加，XG穩定泡沫的能力表現得更加顯著。XG 和NPs 協同時，對泡沫的排水和粗化有更強的抑制作用。水膜和平臺邊界中的NPs、XG 的分子間相互作用以及各分子間強烈而復雜的分子相互作用增強了SDS/CAB/無患子皂苷溶液的泡沫穩定性。

（3）無氟泡沫在鋪展過程中沒有形成水膜。泡沫鋪展主要經過穩定擴散和限制擴散兩個階段，在相同的泡沫流速下，黏度較高的泡沫擴散速度比較緩慢。