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動態(tài)泡沫分析儀，對烷基糖苷（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APG的泡沫性能影響較大，溫度升高，APG泡沫性能下降；無機(jī)鹽硫酸鈉質(zhì)量濃度增高，APG0810、APGIO泡沫性能有所提高，而疏水鏈較長的APGl214泡沫性能略有下降；pH值對APG的泡沫性能影響不大；硬水會降低APG的泡沫性能。

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

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(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)。泡沫整理過程中，起泡劑主要是表面活性劑，其泡沫性能對加工效果起著重要作用，不同功能整理對泡沫性能的要求不同，故對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年代以來開發(fā)的一類性能優(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動態(tài)泡沫分析儀（德國Krtiss公司），HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）。

APG類表面活性劑（工業(yè)級，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）、無水乙酸（AR，杭州高晶精細(xì)化工有限公司）、無水乙酸鈉（AR，南京化學(xué)試劑有限公司）、無水碳酸鈉（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動態(tài)泡沫分析儀，量取恒溫水浴的待測液40 mL置于樣品杯內(nèi)，以4 000 r/min的速率攪拌待測液20 s，攪拌結(jié)束后持續(xù)穩(wěn)泡340 s，在此過程中測試泡沫性能指標(biāo)。

1.3泡沫性能測試

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，表示泡沫穩(wěn)定性越好。

2.結(jié)果與討論

2.1疏水鏈對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，測得泡沫高度及泡沫排液50%的時(shí)間，如圖1、圖2所示。

通過比較圖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，疏水鏈長的APGl214，HLB值小，泡沫性能也較差，而APGl0的HLB相對適中，泡沫性能較好。

對比圖2中4條曲線可知，疏水鏈對APG的穩(wěn)泡性也有較大影響，疏水鏈較長，泡沫穩(wěn)定性較好。APG的疏水鏈較長時(shí)，會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，減緩了氣體透過液膜的擴(kuò)散速率；同時(shí)，疏水鏈較長，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，形成的泡沫表面膜剛性會過強(qiáng)，反而不利于泡沫的穩(wěn)定性。

2.2質(zhì)量濃度對APG泡沫性能的影響

通過觀察圖1每條曲線的變化趨勢可知，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；但超過一定質(zhì)量濃度，泡沫穩(wěn)定性提高較小，甚至?xí)兴陆?。原因是APG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)量濃度過大，泡沫液膜中表面活性劑分子數(shù)目過多，泡沫剛性增加，反而不利于泡沫的穩(wěn)定性。

2.3溫度對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，溫度升高會加劇溶液中表面活性劑分子的運(yùn)動，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)泡過程中泡沫的破裂速率也會增大?？傊?，溫度增高，APG的起泡性下降。但疏水鏈較長，表面活性劑分子運(yùn)動阻力相對較大，起泡性能下降程度相對較緩。

由圖4可知，溫度增高會降低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，高溫度會降低溶液的粘度，加快排液速率，也會降低泡沫的穩(wěn)定性。

2.4無機(jī)鹽硫酸鈉對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，無機(jī)鹽硫酸鈉的加入對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。無機(jī)鹽本身會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呈現(xiàn)出一定的負(fù)電性，無機(jī)鹽硫酸鈉的加入，引入了反離子Na+，在一定程度上會促進(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。疏水鏈長度不同，可能會影響APG分子的負(fù)電性。負(fù)電性較弱，無機(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，無機(jī)鹽質(zhì)量濃度對不同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；但疏水鏈較長時(shí)，APG表面活性劑的負(fù)電性弱，反離子作用弱，而無機(jī)鹽增加液體表面張力的作用更強(qiáng)，無機(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APG系列表面活性劑的起泡性能影響相對較小。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)，也會提高泡沫穩(wěn)定性。

2.6硬水對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泡沫性能會受硬水影響，硬水會降低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)，故會降低APG的泡沫性能。

3.結(jié)論

a）疏水鏈長對APG的泡沫性能影響較明顯，疏水鏈較長或者較短都會降低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APG類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）無機(jī)鹽硫酸鈉對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，而疏水鏈較長的APG1214泡沫性能略有下降；體系pH值對APG的泡沫性能影響不大，但水質(zhì)有一定影響，水質(zhì)太硬會降低APG的泡沫性能。