基于十二烷基硫酸鈉復配發泡體系性能測試

趙亞楠，朱元昭，吳笑顏，李亞男，汪青

（1.中原工學院紡織學院，河南 鄭州451191；2.河南省紡織服裝協同創新中心，河南鄭州451191；3.河南省紡織建筑設計院，河南 鄭州450007）

基于十二烷基硫酸鈉復配發泡體系性能測試

趙亞楠1，2，朱元昭1，2，吳笑顏3，李亞男1，2，汪青1，2

（1.中原工學院紡織學院，河南 鄭州451191；2.河南省紡織服裝協同創新中心，河南鄭州451191；3.河南省紡織建筑設計院，河南 鄭州450007）

選取生物降解性較好的十二烷基硫酸鈉為發泡劑，與單一或復合穩泡劑形成發泡體系，測試各工藝參數對其泡沫性能的影響。試驗結果表明，當十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L和復配穩定劑濃度為0.8～2 g/L時，泡沫發泡體積最大，半衰期最長；十二醇和羧甲基纖維素鈉（CMC）的最佳復配比例為4∶6；攪拌速度越大，發泡體積越大，半衰期越長，泡沫尺寸越小越細膩；穩定劑濃度越大，泡沫越小。

十二烷基硫酸鈉；復配穩定劑；泡沫性能；表面張力

0　引言

近年來，環境污染、資源匱乏等問題日益突出，人們對節能減排、生態環保日益重視，這就要求各行各業研究者對綠色環保技術進行大力開發，完善相關生產技術。眾所周知，印染行業是耗水、耗能、排污較大的加工過程，因此節水低能耗的泡沫染色技術應運而生，相關發泡體系的研究接踵而至［1-3］。發泡劑主要為各種類型的表面活性劑，包括陽離子型、非離子型、陰離子型、兩性型表面活性劑和綠色環保、降解徹底的烷基糖苷、蛋白質類發泡劑，其中最常用的發泡劑為陰離子型表面活性劑。這類表面活性劑發泡性、穩定性、毒性和生物降解性較好，成本適中，故得到廣泛使用［4-5］。

目前國內外有關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異的烷基糖苷的物理化學性能，以及與凈化用泡沫穩定性的關系。Zhao Lin等［7］介紹了發泡劑耐溫和耐鹽性能，討論了在石油精煉中的應用，此研究表明季銨鹽類表面活性劑、十二醇、甜菜堿的復配發泡劑的發泡體積和半衰期比甜菜堿單一發泡劑效果好，并研究復配發泡劑的耐溫和耐鹽性能。譚思思等［8］對活性染料泡沫染色液的起泡性及穩定性進行研究，將十二醇和瓜爾膠進行復配形成穩定的發泡體系。本文基于之前的研究，選用發泡性能和生物降解性均較好的十二烷基硫酸鈉為發泡劑，對增強型、增黏型穩定劑及其復配體系進行系統研究，并分析了各參數對泡沫性能的影響。

1　試驗

1.1試劑與儀器

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

儀器電動攪拌機（天津市華興科學儀器廠），測速儀（溫州盛測儀器儀表有限公司），QBZY-2全自動表面張力儀（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（深圳市佳博特實驗設備有限公司）。

1.2試驗方法

1.2.1發泡體積測試方法

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

1.2.2泡沫半衰期測試方法

采用上述機械攪拌法進行發泡。待攪拌停止后，析出（V-V0）/2體積發泡液時的時間，即半衰期T1/2，測試并記錄五次，求平均值。其中V為100 mL，試驗溫度為20℃。

1.2.3表面張力測試方法

首先以2次蒸餾水和純乙醇為標準物，對儀器的整體測試誤差自動進行校準，然后將40 mL發泡液倒入50 mL小燒杯中，置于全自動表面張力儀的測試臺中間，測試臺正上方為清洗并經酒精燈干燥的鉑金板，然后按下測試臺上升按鈕，發泡液慢慢接近鐵片至接觸一定深度，測試臺自動停止，待表面張力示數穩定后記錄。測試三次，求平均值。

1.2.4泡沫尺寸測試方法

將攪拌好的泡沫置于潔凈玻璃皿表面，經3D掃描顯微鏡對泡沫進行對焦，調節目鏡使泡沫清晰可見，將經顯微鏡掃描拍照后的相關測試數據傳輸至電腦，記錄泡沫平均尺寸。

2　結果與討論

2.1發泡劑濃度的確定

發泡液組分為十二烷基硫酸鈉、十二醇、自來水，其中十二醇的濃度選定為0.3 g/L，攪拌速度為1 100 r/min，通過改變十二烷基硫酸鈉的濃度進行發泡。測試結果見圖1。

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

2.2穩定劑的選取

2.2.1不同類型穩定劑對泡沫性能的影響

試驗選取十二醇、CMC、海藻酸鈉和改性瓜爾膠作為穩定劑，并分別進行發泡，測試其發泡體積和半衰期。發泡劑SDS濃度為3 g/L，穩定劑濃度為0.3 g/L，攪拌速度為1 100 r/min。測試結果見表1。

表1　不同類型穩定劑的泡沫性能

由表1可知，加入穩定劑的發泡液的發泡體積大小排序為十二醇＞CMS＞瓜爾膠＞海藻酸鈉＞CMC，且瓜爾膠、海藻酸鈉的發泡體積相差不大；半衰期長短排序為十二醇＞CMC＞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-的負電荷間產生電排斥性致使C12H25SO4-在液膜中無法形成緊密排列，見圖2，表面黏度較低，穩泡作用差。當加入十二醇后，非離子型的十二醇可插入兩個C12H25SO4-負離子之間形成排列緊密的混合膜，見圖3，在混合膜中由于分子間的排列間距縮小，增強了分子間的相互作用，非極性碳氫鏈間的范德華力的增加有利于界面黏度的增加，同時十二醇非離子的插入會使C12H25SO4-負離子間的電排斥性減弱，界面膜強度提高。海藻酸鈉和CMC的加入使半衰期提高，是因為隨著泡沫的黏度增加，界面膜液體的流動性降低，其析液速率降低，泡沫半衰期增長。瓜爾膠的加入使泡沫性能稍變差，其中CMC對十二烷基硫酸鈉發泡液的增黏效果最好。綜合發泡體積與半衰期，選用十二醇與CMC復配來增強其泡沫性能。

2.2.2穩定劑復配比例對泡沫性能的影響

十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L，穩定劑（十二醇與CMC復配）濃度為0.3 g/L，選取不同復配比例的穩定劑進行攪拌法發泡，攪拌速度為1 100 r/min，室溫20℃，試驗結果見圖4。

由圖4可以看出，十二醇與CMC的不同復配比對發泡體積的影響不大，但對半衰期影響較大，復配后半衰期均比單一穩定劑大，且當其復配比例為4∶6時達到最大。這是因為十二醇與CMC復配后具有協同增效的作用，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，同時氣液界面發泡劑和穩定劑分子的空間結構更緊密、相互間的作用力更強，形成的液膜強度增加，半衰期增加，但是當CMC含量增加至一定數值時，CMC分子量很大，體積明顯大于發泡劑，泡沫界面液體中的CMC大分子數量增多，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穩定劑復配比例對發泡液表面張力的影響

十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L，穩定劑濃度為0.3 g/L，選取下列穩定劑復配比例進行攪拌法發泡，攪拌速度為1 100 r/min，室溫20℃，測試其表面張力，五次測試結果非常接近，試驗結果見圖4。

由圖5可以看出，隨著穩定劑中CMC含量的增加，發泡液的表面張力越來越大，但是當復配比例為4∶6時出現拐點，即復配比例為4∶6。結合圖4可知，拐點處的泡沫性能最佳，當CMC的濃度在拐點之前，發泡液的表面張力較低，發泡性能較好；在拐點之后，CMC的濃度繼續增大，表面張力增大，其泡沫性能變差，這是因為CMC超過一定濃度后，由于CMC大分子的體積大、空間位阻大，使得氣液界面上SDS分子的非極性基長碳鏈分布的密度降低，導致發泡液表面張力增大，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復配穩定劑濃度對泡沫性能的影響

SDS濃度為3 g/L，以十二醇和CMC的比例為4∶6復配穩定劑，改變其濃度，研究其發泡體積和半衰期。測試結果見圖6。

由圖6可以看出，隨著穩定劑的加入，發泡液的發泡量會降低，且隨濃度的增大有不同程度的減少，而半衰期呈增長趨勢。當穩定劑濃度為0.8～2 g/L時，發泡液的綜合泡沫性能較好。

2.3攪拌速度對泡沫性能的影響

2.3.1攪拌速度對發泡體積和半衰期的影響

在室溫20℃，發泡劑十二烷基硫酸鈉濃度為3 g/L、穩定劑濃度為0.3 g/L和十二醇與CMC的復配比例為4∶6條件下進行攪拌法發泡，研究攪拌速度對泡沫性能的影響，試驗結果見圖7。

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

2.3.2攪拌速度對泡沫尺寸的影響

發泡劑濃度為3 g/L，改變穩定劑濃度和攪拌速度，研究其對泡沫尺寸的影響，其中轉速分別為1 000、1 400、1 600 r/min，穩定劑質量濃度分別為0.7、2.0 g/L。試驗結果見圖8。

由圖7、圖8和圖9可以看出，相同穩定劑濃度的發泡液隨攪拌速度增高，發泡量越大，半衰期增長，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，發泡體積增大；在攪拌速度相同的條件下，發泡液中穩定劑的濃度越高，泡沫越小，但發泡體積略有降低。

3　結論

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

（2）穩定劑復配后其泡沫性能高于單一穩定劑，十二醇和CMC具有協同增效的作用，且當復配比例為4∶6時發泡體積和半衰期達到最大值，泡沫性能最好。用CMC取代十二醇，降低穩定劑十二醇的異味和毒性。

（3）在發泡液中加入CMC，可以提高溶液的表面張力，且在一定濃度范圍內對溶液的黏度影響不大，超過一定濃度后，黏度大大增加，但泡沫性能下降。

（4）泡沫的發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。相同轉速條件下，穩定劑濃度越高，泡沫越小越細膩。

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［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。