硬脂酸铵乳液和表面活性剂复配体系的泡沫性能研究与应用

黄政宇，周美莲，周志敏

（1 湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082；2 广东冠生土木工程技术有限公司，广东广州511400）

某些阴、阳离子表面活性剂的复配研究显示，由于阴、阳离子表面活性剂强烈的电性作用，使其混合体系的表面活性比单组分体系有很大提高，且泡沫表现出良好的稳定性能［1－2］。Ropers等［3］对带异种电荷的聚合物多糖 （果胶）与CTAB复合体系进行了研究，聚合物与表面活性剂发生强烈吸附，果胶／CTAB泡沫膜的厚度大于纯组分CTAB的泡沫膜，从而提高泡沫的稳定性能。Monteux等［4］通过对带相反电荷的聚电解质 ［poly（styrenesulfonate）sodium Salt］与表面活性剂（C12TAB）的研究发现，当PSS／C12TAB溶液中的PSS与C12TAB的摩尔比为1时，发泡能力最大并高于其纯组分溶液，并在界面处形成类凝胶吸附层，有助于降低泡沫排液速率和气泡合并速率，最终提高泡沫稳定性能。

泡沫混凝土是通过机械方法将发泡剂水溶液制成泡沫，加入胶凝材料浆体，制成泡沫料浆，然后成型或现浇，经自然养护或蒸汽养护所形成的微孔轻质材料，具有保温隔热、隔音防火等优良性能；但其缺点是强度较低。因此生产高性能泡沫混凝土，需不断研制高效发泡剂。发泡剂性能的研究涉及许多因素，如溶液的发泡能力、泡沫稳定性及大小分布等，但最重要的性能就是溶液的发泡能力、泡沫稳定性和与水泥浆体的相容性［5］。

本研究拟对两种不同类型的表面活性剂 （SDS和CTAB）分别和有机长链阴离子化合物硬脂酸铵乳液复配，研究两种复配体系的发泡能力和泡沫稳定性，获得一种可用于制备泡沫混凝土的发泡剂。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

主要试剂：CTAB（AR）、SDS（AR），硬脂酸铵乳液（ω＝30%），水泥为金鹰P·O 42.5普通硅酸盐水泥 （广东云浮青州水泥有限公司），其物理力学性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求。

主要仪器：JE1001多功能电子天平（上海浦春计量仪器有限公司），PC396天福牌电子秒表（深圳市惠波工贸有限公司），D60－2F电动搅拌机（杭州仪表电机有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 发泡能力与泡沫稳定性测试方法

采用高速搅拌法测试发泡剂的发泡能力和稳定性。将配制好的100 m L发泡剂水溶液倒入1000 m L的烧杯中，以3600 r／min的搅拌速度搅拌5 min，记录泡沫体积作为发泡剂的发泡能力，然后静置计时，待泡沫液体析出至50 m L所需时间为发泡剂的半衰期 （t1／2），t1／2越长，表明泡沫液的稳定性越好［6］。

1.2.2 泡沫混凝土性能测试

将制备好的泡沫与水泥浆体混合搅拌均匀，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体混凝土试模，24 h后脱模，然后将试件置于环境湿度95%、温度 （20±l）℃的养护室养护，分别测定其7天、28天的抗压强度和干密度。干密度的测试方法为：将3个试件放在温度为 （60±5）℃干燥箱内烘干至前后两次相隔4 h的质量差不大于1 g，取出后，试件放入干燥器内并在试件冷却至室温后称取试件烘干质量，精确至1 g。然后按式 （1）计算干密度。

式中，ρ0为干密度，kg／m3，精确至0.1 g；m0为试件烘干质量，g；V为试件的体积，mm3。试件的干密度值为3块试件干密度的平均值，精确至1 kg／m3。

2 结果与讨论

2.1 SDS和CTAB发泡剂性能对比

分别配制质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的SDS溶液和CTAB溶液各100 m L进行搅拌。不同浓度下发泡剂的发泡能力和稳定性分别如图1、图2所示 （实验温度为30℃）。

图1为不同浓度时的SDS发泡剂和CTAB发泡剂发泡性能对比。从图1可看出，随发泡剂浓度的增加，泡沫体积也随之增加。SDS质量分数为0.4%时达到最大发泡体积940 m L，CTAB质量分数为0.5%时最大发泡体积为680 m L。发泡剂浓度继续增大时，泡沫体积略有下降或趋于平缓。

图2为不同浓度时的SDS发泡剂和CTAB发泡剂泡沫稳定性对比。由图2可看出，随发泡剂浓度的增加，泡沫半衰期迅速增大，到一定浓度后略有降低。当SDS质量分数为0.3%时，半衰期t1／2为380 s；CTAB质量分数为0.5%时，半衰期t1／2为300 s。这是因为当表面活性剂浓度较低时，表面吸附低。随着浓度的增加，表面吸附量随之增加，溶液表面张力进一步降低，溶液的发泡能力和泡沫稳定性增强。但当表面吸附达到饱和后，浓度增加，溶液表面张力不再降低，而浓度的增加又减弱了Marongoni效应［7］，使泡沫的稳定性降低，溶液发泡体积下降或趋于稳定。

图1 不同浓度发泡剂的发泡能力

图2 不同浓度下发泡剂的半衰期

2.2 硬脂酸铵乳液对SDS和CTAB发泡剂性能的影响

固定SDS溶液和CTAB溶液的质量分数为0.5%，与硬脂酸铵乳液质量分数分别为0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%的溶液复配，测定复配溶液的发泡能力和泡沫稳定性（实验温度为30℃）。

图3为硬脂酸铵乳液对SDS、CTAB发泡剂发泡能力的影响。从图1和图3对比可知，硬脂酸铵乳液的加入使SDS发泡能力大大降低：硬脂酸铵乳液加入前，0.5%的SDS溶液发泡体积为930 m L，加入后最大发泡体积只有660 m L。对CTAB而言，复配体系的发泡性能略低于纯CTAB发泡剂：硬脂酸铵乳液加入前，0.5%的CTAB溶液发泡体积为680 m L，加入后最大发泡体积640 m L，其整体趋势随硬脂酸铵乳液含量的增加先增大后逐步减小。

图3 硬脂酸铵乳液对SDS、CTAB发泡剂发泡能力的影响

图4为硬脂酸铵乳液对SDS、CTAB发泡剂半衰期的影响。从泡沫稳定性方面来说，硬脂酸铵乳液是一种非常有效的稳泡剂。纯SDS或CTAB发泡剂半衰期t1／2为5～6 min，泡沫由于液膜的排液和气体穿透液膜的扩散，使液膜变薄、破裂，小气泡消失，大气泡变大，泡沫很快破裂。硬脂酸铵乳液的加入，泡沫半衰期均得到了显著的提高。两种体系的泡沫孔径小且均匀细腻，根据Monsalve的理论说明，单位时间内泡沫数的减少与最初气泡大小分布频率有关。气泡分布越窄，越均匀，泡沫越稳定［8］。

对SDS／硬脂酸铵乳液体系而言，泡沫半衰期随硬脂酸铵乳液的加入呈现先逐渐增大后略有降低的趋势。硬脂酸铵乳液掺量为2.1%时稳泡效果最佳，t1／2长达64 min，是纯SDS发泡剂的10倍之多。SDS与硬脂酸铵乳液复配后，体系溶液黏度增大。首先增加了液膜的表面黏度，液膜排液速率减小，延缓了PLATEAU压力差和重力引起的液膜内液体的迁移，阻止膜的变薄，延缓液膜的破裂。其次液相黏度增大，既增加了液膜的表面强度，又降低了气体在液膜中的溶解度，从而减少了液膜的透气性。因此，在硬脂酸铵乳液的作用下，泡沫会变得非常稳定。但若继续升高硬脂酸铵乳液浓度，造成体系黏度过大，使液膜变脆，不利于泡沫的稳定。

图4 硬脂酸铵乳液对SDS、CTAB发泡剂半衰期的影响

对CTAB／硬脂酸铵乳液体系而言，硬脂酸铵乳液的加入，半衰期t1／2急剧增大后逐步减小。硬脂酸铵乳液的最佳稳泡浓度为1.2%。除了硬脂酸铵乳液能提高液相黏度，起到延缓析液时间的作用外；还有一个不可忽略的因素，即阴阳离子间的相互作用。一方面，CTAB与硬脂酸铵乳液表现出强烈的协同作用，大大降低了溶液的表面张力，增加了泡沫的稳定性能。另一方面，CTAB／硬脂酸铵乳液混合液膜由于正、负电荷间强烈的库仑力的吸引，使液膜具有很高的表面强度，增加了泡沫稳定性。正、负电荷之间的作用，还会导致泡沫性状发生很大变化，当然也是影响泡沫稳定性的一个重要原因。具体情况如第2.3节所示。

2.3 复配体系泡沫性状变化

泡沫中的气体具有压缩性，故温度、压力、剪切速率、泡沫稳定时间、泡沫大小与分布、发泡剂等诸多因素都对泡沫的流变性能有不同程度的影响。实验中发现CTAB随硬脂酸铵乳液掺量不同而呈现流体状、胶状、膏状的泡沫；而SDS／硬脂酸铵乳液体系的泡沫流动性较低，为胶状泡沫，且与硬脂酸铵乳液掺量无关。固定CTAB质量分数为0.4%、0.5%、0.6%，与硬脂酸铵乳液质量分数分别为0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%的溶液复配。实验结果如表1所示。

表1 不同质量分数的硬脂酸铵乳液对CTAB泡沫性状的影响

表1为硬脂酸铵乳液掺量对CTAB泡沫性状的影响。由表1可看出，随着硬脂酸铵乳液掺量的提高，泡沫性状依次呈现出流体状、胶状、膏状、胶状、流体状。当硬脂酸铵乳液与CTAB质量比小于2.4或大于3.7时为流体状或胶状，流体状泡沫由于发泡体积小，气泡在液相内分布少，体系流动性很大。增加硬脂酸铵乳液的掺量，溶液黏度相应增加，发泡体积增大，体系流动性下降，此时泡沫形态与SDS／硬脂酸铵乳液体系相同。当二者质量比为2.4～3.7时，搅拌出来的泡沫为膏状固体，且随着搅拌时间的延长，泡沫黏度越来越大，最后成了黏稠的膏状泡沫。这是由于体系中两种物质所带异种电荷所致。硬脂酸铵乳液与CTAB作用后，在搅拌的过程中，部分乳液破乳，硬脂酸铵乳液与阳离子表面活性剂CTAB发生絮凝，气泡被絮凝的小颗粒吸附，此时的泡沫形状类似于冰激凌结构，疏水的小颗粒使泡沫稳定性大大提高［9］。

2.4 泡沫混凝土性能比较

为了检验上述两种发泡剂在泡沫混凝土中的应用，分别配制质量分数如表2所示的4种发泡剂溶液，按第1.2.2节所述方法制成设计湿容重为700 kg／m3的泡沫混凝土，其中所用水泥441.1 kg／m3，泡沫600 m L／m3，总水灰比为0.587。

表2 实验所用发泡剂

结果显示，①纯SDS溶液或②纯CTAB溶液泡沫制成的试块分层，说明泡沫的液膜韧性差，不够坚固，很容易被挤压破坏，引起泡沫的迅速破灭，因此稳定性差的泡沫在浆体内难以存留。而③SDS／硬脂酸铵乳液体系的泡沫拌入水泥浆体后，泡沫迅速消失。其原因可能由于体系中的铵盐在水泥浆体的碱性环境作用下，释放出氨气，泡沫破灭，所以不能用于泡沫混凝土。④CTAB／硬脂酸铵乳液发泡剂的试块泡孔均匀，有独立的孔洞结构，得到试件干密度为560 kg／m3，7天强度达到了2.03 MPa，28天达到2.85 MPa，达到了A2.0等级（JC／T 1062—2007，建材行业标准“泡沫混凝土砌块”）［10］。

3 结 论

（1）硬脂酸铵乳液是种高效稳泡剂，且与SDS、CTAB复配协同性好，表现出特有的稳泡性能，使SDS的半衰期可延长至64 min，CTAB可达至120 min。

（2）表面活性剂溶液中的阴阳离子作用可显著提高泡沫的稳定性能，当体系发生絮凝后，生成的疏水小颗粒吸附在气泡膜上，使泡沫稳定性显著提高。

（3）CTAB／硬脂酸铵乳液体系的泡沫与水泥浆体相容性好，可用于泡沫混凝土的生产，且该发泡剂成分简单，制得的泡沫混凝土强度高。

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