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在洗涤过程中,泡沫占据着不可或缺的地位。泡沫本质上是气体分散于液体或固体所形成的分散体系,其中气体作为分散相,液体或固体作为分散介质。若分散介质为液体,称之为液体泡沫;若分散介质为固体,例如泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫水泥等,则称为固体泡沫。
(1)泡沫的形成
这里所讨论的泡沫,是指被液体薄膜分隔开的气泡聚集体。由于这种泡沫的分散相(气体)与分散介质(液体)存在显著的密度差,且液体黏度较低,所以气泡总是会快速上升至液面。
泡沫的形成过程,是将大量气体引入液体中,液体里的气泡又迅速返回液面,进而形成由少量液体薄膜隔开的气泡聚集体。
泡沫在形态上呈现出两个明显特征:其一,作为分散相的气泡通常呈多面体形状,这是因为在气泡相交处,液膜有变薄的趋势,促使气泡变为多面体,一旦液膜薄到一定程度,气泡就会破裂;其二,纯净的液体无法形成稳定的泡沫,能够产生泡沫的液体,至少含有两种以上的组分。表面活性剂的水溶液是典型的易产生泡沫的体系,其产生泡沫的能力与其他性能也存在一定联系。
具有良好起泡能力的表面活性剂被叫做起泡剂。虽然起泡剂具备出色的发泡能力,但其形成的泡沫不一定能长时间保持稳定。为了增强泡沫的稳定性,通常会在起泡剂中添加能提高泡沫稳定性的物质,这类物质被称为稳泡剂,常用的稳泡剂有月桂酰二乙醇胺和十二烷基二甲基胺的氧化物。
(2)泡沫的稳定性
泡沫是一种热力学不稳定体系,其最终趋势是破泡,从而减小体系内液体的总表面积,降低自由能。消泡过程实际上就是隔开气体的液膜从厚变薄直至破裂的过程。由此可知,泡沫的稳定程度主要由排液速度和液膜强度决定。此外,还有以下几种影响因素。
① 表面张力:从能量角度分析,较低的表面张力有利于泡沫的形成,但不能保证泡沫的稳定性。表面张力低时,压差小,排液速度减慢,液膜变薄速度也随之变缓,这对泡沫的稳定有一定益处。
② 表面黏度:决定泡沫稳定性的关键在于液膜强度,而液膜强度主要取决于表面吸附膜的坚固性,表面黏度可作为衡量其坚固程度的指标。实验显示,表面黏度较大的溶液所产生的泡沫寿命更长。这是因为表面吸附分子之间的相互作用使得膜强度增大,从而延长了泡沫的寿命。
③ 溶液黏度:当液体本身的黏度增加时,液膜中的液体不易排出,液膜厚度变薄的速度变慢,延缓了液膜破裂的时间,进而提高了泡沫的稳定性。
④ 表面张力的“修复”作用:表面活性剂吸附在表面的液膜,具有抵抗液膜表面扩张或收缩的能力,这种能力被称为修复作用。
原因在于有表面活性剂吸附的液膜,扩张表面积会降低表面吸附分子的浓度,增大表面张力,进一步扩张表面就需要消耗更多能量。反之,表面积收缩会增加表面吸附分子的浓度,减小表面张力,不利于进一步收缩。
⑤ 气体通过液膜的扩散:由于存在毛细压力,泡沫中小泡的压力比大泡高,这会导致小泡中的气体透过液膜扩散到压力较低的大泡中,使得小泡变小、大泡变大,最终导致泡沫破裂。
如果加入表面活性剂,在发泡时可使泡沫均匀细密,不易消泡。这是因为表面活性剂紧密排列在液膜上,增加了气体透过的难度,从而使泡沫更加稳定。
⑥ 表面电荷的影响:如果泡沫液膜带有相同符号的电荷,液膜的两个表面会相互排斥,从而防止液膜变薄乃至破裂。离子型表面活性剂能够发挥这种稳定作用。综上所述,液膜强度是决定泡沫稳定性的关键因素。对于作为起泡剂和稳泡剂的表面活性剂而言,其表面吸附分子排列的紧密程度和牢固程度至关重要。
当表面吸附分子相互作用较强时,吸附分子排列紧密,这不仅使表面膜本身具有较高强度,而且由于表面黏度较高,邻近表面膜的溶液流动性变差,液膜排液困难,液膜厚度得以维持。此外,排列紧密的表面分子还能降低气体分子的透过性,从而增强泡沫的稳定性。
(3)泡沫的破坏
破坏泡沫的基本原理是改变产生泡沫的条件,或者消除泡沫的稳定因素,因此存在物理和化学两种消泡方法。物理消泡是在不改变泡沫溶液化学成分的情况下,改变泡沫产生的条件,如外力扰动、温度或压力变化以及超声处理等,都是有效的物理消泡方式。
化学消泡法是通过添加某些物质与起泡剂发生作用,降低泡沫中液膜的强度,进而降低泡沫的稳定性以达到消泡目的,这类物质被称为消泡剂。消泡剂大多属于表面活性剂。因此,根据消泡的作用机理,消泡剂应具备较强的降低表面张力的能力,易于吸附在表面,且表面吸附分子间的相互作用较弱,吸附分子排列结构较为疏松。
消泡剂种类丰富多样,但基本上都属于非离子表面活性剂。非离子表面活性剂在其浊点附近或浊点以上时具有防泡性能,常被用作消泡剂。醇类,尤其是具有分支结构的醇、脂肪酸及脂肪酸酯、多酰胺、磷酸酯、硅油等,也是常用的优良消泡剂。
(4)泡沫与洗涤
泡沫和洗涤作用之间并没有直接的必然联系,泡沫数量的多少并不能反映洗涤效果的好坏。例如,非离子表面活性剂的起泡性能远不如肥皂,但其去污能力却比肥皂优异许多。在某些情形下,泡沫对去除污垢还是有帮助的。
比如,家庭洗涤餐具时,洗涤液的泡沫可以带走洗下来的油滴;擦洗地毯时,泡沫有助于带走尘土、粉末等固体污垢。
此外,泡沫有时可以作为洗涤液是否有效的一个参考标志,因为脂肪性油污会抑制洗涤液的泡沫产生,当油污过多、洗涤剂量不足时,就不会产生泡沫,或者会使原本的泡沫消失。泡沫有时还能作为漂洗是否干净的判断依据,因为漂洗液中的泡沫量通常会随着洗涤剂含量的减少而减少,所以可以根据泡沫量的多少来评估漂洗的程度。
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