论文摘要
泡沫是气体分散在液体中的分散体系,其中气体是分散相,液体是分散介质。泡沫属于热力学不稳定体系,泡沫的不稳定性在于体系具有较大的界面面积和较高的表面能,所以体系具有减少界面面积使其能量降到最低的自发趋势。纯液体是不能形成气泡的,除非有表面活性物质存在。能够起泡的表面活性物质主要有三类:表面活性剂、高分子聚合物和固体颗粒。在实际工业中,比如石油开采、矿物浮选、食品加工等体系中往往既有颗粒也有表面活性剂,有时还有聚合物,所以研究颗粒和表面活性剂以及聚合物和表面活性剂协同稳定的泡沫就具有重要的现实意义。有鉴于此,本论文研究了颗粒/表面活性剂、聚合物/表面活性剂体系协同稳定的泡沫,得到了一些重要的有实际意义的结果。这些研究不论是对胶体化学基础理论的深入,还是对这类复合体系在工业过程中的应用,都有一定的指导作用。合成锂皂石（Synthetic Laponite）是一种人工合成的圆盘状粘土矿物,由于其晶格结构中部分二价的镁离子被一价的锂离子置换（同晶置换）,导致其粒子表面带有永久负电荷。合成锂皂石纯度高、粒径分布窄,经常作为理论研究的模型。鉴于合成锂皂石颗粒的结构特点和重要的实际应用价值,本文以合成锂皂石颗粒为研究对象,研究了其与阳离子表面活性剂（CTAB）及非离子表面活性剂(C12E4)协同稳定的泡沫。另外,考虑到疏水改性的聚合物在水溶液中具有独特的耐盐、增粘及两亲性,已成为水溶性聚合物领域中最活跃的研究热点之一,所以还选择了疏水改性的羟乙基纤维素（HMHEC）,开展了HMHEC与表面活性剂(SDS、CTAB、C12E4)的相互作用以及复配制备泡沫的工作。本文的主要内容包括以下几个部分:1.锂皂石颗粒和阳离子表面活性剂CTAB共同稳定的泡沫我们首先研究了CTAB在锂皂石颗粒表面的吸附,包括吸附等温线、TGA/DSC、颗粒电势、三相接触角等,然后考察了两者共同稳定的泡沫。CTAB在锂皂石上吸附后,颗粒电势的绝对值先降低,经过等电点后又开始升高,最后达到一平台值。颗粒的疏水性则先增大后减小,在CTAB的初始浓度约为1.7cec时达到最大。这里的疏水性是相对的,接触角仍然小于90°。通过TGA/DSC实验发现,CTAB在锂皂石上的吸附在1.7cec附近发生吸附单层到双分子层的转换,也进一步验证了颗粒疏水性的变化规律。泡沫的稳定性实验表明,在固定的颗粒浓度下,泡沫的稳定性随CTAB浓度的增加先增大后减小,最后达到平台值。在1.7cec处得到最稳定的泡沫。当CTAB的浓度小于1.0cec时,表面活性剂靠静电引力吸附在颗粒表面上,此后,吸附过程受疏水作用驱动。表面活性剂在颗粒表面首先形成二维的聚集体,这种二维聚集体呈半胶束结构,疏水基朝外,所以颗粒的疏水性逐渐增加,在1.7cec附近达到最大,泡沫的稳定性也最大。当CTAB的浓度大于1.7cec时,表面活性剂在颗粒表面又开始形成反半胶束,表面活性剂的亲水基朝外,所以颗粒的疏水性又开始下降,泡沫的稳定性也下降。可见泡沫的稳定性是与CTAB在锂皂石上的吸附特性紧密相关的。泡沫最稳定的体系中颗粒的疏水性最大,但是并不对应着颗粒带电量最少,即在决定泡沫的稳定性上,颗粒疏水性比电性质要关键。在中间表面活性剂浓度内,我们用干泡实验和荧光共聚焦显微镜均证明了表面活性剂改性的颗粒在气泡表面形成了吸附。共聚焦显微镜照片表明颗粒以聚集体的形式吸附,吸附的颗粒和未吸附的颗粒相互牵连,形成框架结构,这种结构大大提高了泡沫的稳定性。当颗粒又重新变为亲水后,泡沫体系主要由表面活性剂稳定,有三点可以证实:一是混合体系泡沫的稳定性和单独表面活性剂在大于cmc时的相近,呈一平台:二是干泡沫相内没有留下任何颗粒的痕迹;三是混合体系泡沫的稳定性与颗粒浓度无关。2.锂皂石颗粒和非离子表面活性剂共同稳定的泡沫系统研究了锂皂石颗粒和烷基醇聚氧乙烯醚非离子表面活性剂(C12E4)协同稳定的泡沫。C12E4在锂皂石上的吸附呈多层吸附形式,不同于较长亲水链的同类型表面活性剂,这可能是由于C12E4在溶液中能形成层状相的缘故。对锂皂石/C12E4体系,两者对泡沫具有协同稳定性,而且该协同作用随着C12E4浓度的增加而增强。通过光学显微镜观察发现,锂皂石/C12E4水分散体系制备的气泡尺寸小于C12E4单独制备的气泡尺寸。荧光共聚焦显微镜照片清楚的表明,改性后的颗粒分布在气泡的表面、气泡层间和Plateau边界区域,气泡处在颗粒形成的三维网络结构的网格内。这种结构大大提高了泡沫稳定性。泡沫的稳定性随着表面活性剂浓度的提高逐渐增加,其原因是随着表面活性剂浓度的增加,颗粒在气泡表面的吸附密度增加,吸附膜的致密性增大。颗粒zeta电势的下降也促进了颗粒在气泡表面的吸附。为了对比起见,还简单研究了锂皂石/C12E23和二氧化硅/C12E4两种体系。对于锂皂石/C12E23体系,两者对泡沫稳定性没有表现出协同作用。可能的原因是:一,极性链较长的表面活性剂C12E23在颗粒表面的吸附并没有赋予颗粒一定的疏水性,颗粒不能吸附到气泡表面;二,分散体系的粘度仍然很低,提高泡沫稳定性的作用不明显。对于二氧化硅/C12E4体系,在一定浓度范围内两者对泡沫的稳定表现出一定的协同作用,但是这种协同作用不是源于颗粒在气泡表面的吸附,而是源于分散体系粘度的增大,因此这种协同作用比锂皂石/C12E4的协同作用弱的多。3.疏水缔合的羟乙基纤维素和多种表面活性剂共同稳定的泡沫系统研究了疏水改性的羟乙基纤维素（HMHEC）分别与CTAB、SDS及C12E4三种表面活性剂复配制备的泡沫,发现了不同的变化规律。首先研究了HMHEC和各种表面活性剂水溶液的性质,然后考察了泡沫性质。HMHEC和CTAB及SDS的作用有些相似,都是在一定的表面活性剂/HMHEC浓度比例时混合溶液的粘度达到最大,在该比值之上,过量的表面活性剂胶束将聚合物链相互隔离开来,体系粘度下降。HMHEC/CTAB和HMHEC/SDS体系制备的泡沫的稳定性也都是先增加后下降。泡沫稳定性最高的体系对应的溶液的粘度也最大。另外,HMHEC和这两种表面活性剂复配后制得的泡沫稳定性都比各组分单独制备的高,即具有协同性。两种体系也有不同之处。第一点,在较高的SDS浓度时,HMHEC/SDS体系制备的泡沫稳定性和单独SDS（＞cmc）制备的泡沫稳定性相近,气泡尺寸变大,且泡沫稳定性不依赖于聚合物的浓度,推断此时主要由SDS稳定泡沫;而在较高的CTAB浓度时,HMHEC/CTAB泡沫比单独CTAB制备的泡沫稳定性高的多,气泡变大但仍小于单独由CTAB制备的气泡的尺寸,另外泡沫稳定性随聚合物浓度的增加而增大,所以此时仍然由HMHEC/CTAB两者形成的复合物来稳定泡沫。第二点,HMHEC/SDS体系制备的最稳定的泡沫的稳定性要比HMHEC/CTAB体系制备的高得多。这可能与CTAB、SDS和HMHEC主链上的-OH作用方式不同有关。已有的文献大部分是用间接的方法证明聚合物/表面活性剂复合物在气/液界面的吸附,如表面张力法。本文采用直接法（荧光共聚焦显微镜）观察到HMHEC/SDS、HMHEC/CTAB复合物在气泡表面形成吸附,气泡分布在三维网络状结构的网格中。对于HMHEC/C12E4溶液,体系的粘度随表面活性剂浓度的增加一直增大,不同于前两种体系,这和表面活性剂在溶液中形成的聚集体结构有关。C12E4在溶液中能形成离散的层状相,离散的层状相会使聚合物之间进一步缔合,所以粘度一直上升,泡沫稳定性也一直增大,气泡尺寸比各组分单独稳定的气泡尺寸都小,且随着C12E4浓度的增加逐渐减小。三种体系的起泡性具有共同点,即均由表面张力和粘度两种因素决定:在较低的表面活性剂浓度时主要由表面张力控制,在较高的表面活性剂浓度时主要由体系粘度控制。