基于十二烷基硫酸钠复配发泡体系性能测试

赵亚楠，朱元昭，吴笑颜，李亚男，汪青

（1.中原工学院纺织学院，河南 郑州451191；2.河南省纺织服装协同创新中心，河南郑州451191；3.河南省纺织建筑设计院，河南 郑州450007）

基于十二烷基硫酸钠复配发泡体系性能测试

赵亚楠1，2，朱元昭1，2，吴笑颜3，李亚男1，2，汪青1，2

（1.中原工学院纺织学院，河南 郑州451191；2.河南省纺织服装协同创新中心，河南郑州451191；3.河南省纺织建筑设计院，河南 郑州450007）

选取生物降解性较好的十二烷基硫酸钠为发泡剂，与单一或复合稳泡剂形成发泡体系，测试各工艺参数对其泡沫性能的影响。试验结果表明，当十二烷基硫酸钠浓度为3 g/L和复配稳定剂浓度为0.8～2 g/L时，泡沫发泡体积最大，半衰期最长；十二醇和羧甲基纤维素钠（CMC）的最佳复配比例为4∶6；搅拌速度越大，发泡体积越大，半衰期越长，泡沫尺寸越小越细腻；稳定剂浓度越大，泡沫越小。

十二烷基硫酸钠；复配稳定剂；泡沫性能；表面张力

0　引言

近年来，环境污染、资源匮乏等问题日益突出，人们对节能减排、生态环保日益重视，这就要求各行各业研究者对绿色环保技术进行大力开发，完善相关生产技术。众所周知，印染行业是耗水、耗能、排污较大的加工过程，因此节水低能耗的泡沫染色技术应运而生，相关发泡体系的研究接踵而至［1-3］。发泡剂主要为各种类型的表面活性剂，包括阳离子型、非离子型、阴离子型、两性型表面活性剂和绿色环保、降解彻底的烷基糖苷、蛋白质类发泡剂，其中最常用的发泡剂为阴离子型表面活性剂。这类表面活性剂发泡性、稳定性、毒性和生物降解性较好，成本适中，故得到广泛使用［4-5］。

目前国内外有关泡沫性能方面的研究较多。Dame Cecile等［6］研究了十二烷基硫酸钠和生物降解性优异的烷基糖苷的物理化学性能，以及与净化用泡沫稳定性的关系。Zhao Lin等［7］介绍了发泡剂耐温和耐盐性能，讨论了在石油精炼中的应用，此研究表明季铵盐类表面活性剂、十二醇、甜菜碱的复配发泡剂的发泡体积和半衰期比甜菜碱单一发泡剂效果好，并研究复配发泡剂的耐温和耐盐性能。谭思思等［8］对活性染料泡沫染色液的起泡性及稳定性进行研究，将十二醇和瓜尔胶进行复配形成稳定的发泡体系。本文基于之前的研究，选用发泡性能和生物降解性均较好的十二烷基硫酸钠为发泡剂，对增强型、增黏型稳定剂及其复配体系进行系统研究，并分析了各参数对泡沫性能的影响。

1　试验

1.1试剂与仪器

试剂十二烷基硫酸钠SDS（天津市科密欧化学试剂有限公司），十二醇（天津市科密欧化学试剂有限公司），羧甲基纤维素钠CMC（自制），改性瓜尔胶（自制）。

仪器电动搅拌机（天津市华兴科学仪器厂），测速仪（温州盛测仪器仪表有限公司），QBZY-2全自动表面张力仪（上海方瑞仪器有限公司），激光显微镜（日本Keyence），精度量杯（广州洛浦有限公司），奥豪斯天平（深圳市佳博特实验设备有限公司）。

1.2试验方法

1.2.1发泡体积测试方法

试验采用机械搅拌法进行发泡。首先用量筒量取100 mL配制好的发泡液，加入500 mL的精细刻度量杯中，置于带有两叶搅拌棒的电动搅拌机下搅拌，控制搅拌速度。3 min后停止搅拌，记录发泡上液面体积为V1，初始发泡溶液体积为V0，则发泡体积为V2（V2=V1-V0）。测试并记录五次，求平均值。试验温度为20℃。

1.2.2泡沫半衰期测试方法

采用上述机械搅拌法进行发泡。待搅拌停止后，析出（V-V0）/2体积发泡液时的时间，即半衰期T1/2，测试并记录五次，求平均值。其中V为100 mL，试验温度为20℃。

1.2.3表面张力测试方法

首先以2次蒸馏水和纯乙醇为标准物，对仪器的整体测试误差自动进行校准，然后将40 mL发泡液倒入50 mL小烧杯中，置于全自动表面张力仪的测试台中间，测试台正上方为清洗并经酒精灯干燥的铂金板，然后按下测试台上升按钮，发泡液慢慢接近铁片至接触一定深度，测试台自动停止，待表面张力示数稳定后记录。测试三次，求平均值。

1.2.4泡沫尺寸测试方法

将搅拌好的泡沫置于洁净玻璃皿表面，经3D扫描显微镜对泡沫进行对焦，调节目镜使泡沫清晰可见，将经显微镜扫描拍照后的相关测试数据传输至电脑，记录泡沫平均尺寸。

2　结果与讨论

2.1发泡剂浓度的确定

发泡液组分为十二烷基硫酸钠、十二醇、自来水，其中十二醇的浓度选定为0.3 g/L，搅拌速度为1 100 r/min，通过改变十二烷基硫酸钠的浓度进行发泡。测试结果见图1。

由图1可以看出，随着十二烷基硫酸钠浓度的增加，发泡体积和半衰期逐渐增大，当达到3 g/L后开始逐渐减小。这是因为开始时少量的发泡剂吸附在溶液和空气界面，混合空气搅拌后，液气界面上的发泡剂分子数量少，只能形成少量泡沫，泡沫界面膜强度低，泡沫半衰期较短；随着发泡剂浓度的增加，溶液的表面张力大大降低，界面发泡剂的分子数量增加，当浓度达到临界胶束浓度后，液气界面的发泡剂吸附量达到最大值，界面膜强度增大，发泡体积和半衰期也达到最大值；继续增大浓度，发泡剂分子形成较多胶束，使得泡沫形成较少，析液较快，不稳定。故染色时发泡剂较佳浓度为3 g/L。

2.2稳定剂的选取

2.2.1不同类型稳定剂对泡沫性能的影响

试验选取十二醇、CMC、海藻酸钠和改性瓜尔胶作为稳定剂，并分别进行发泡，测试其发泡体积和半衰期。发泡剂SDS浓度为3 g/L，稳定剂浓度为0.3 g/L，搅拌速度为1 100 r/min。测试结果见表1。

表1　不同类型稳定剂的泡沫性能

由表1可知，加入稳定剂的发泡液的发泡体积大小排序为十二醇＞CMS＞瓜尔胶＞海藻酸钠＞CMC，且瓜尔胶、海藻酸钠的发泡体积相差不大；半衰期长短排序为十二醇＞CMC＞海藻酸钠＞瓜尔胶。十二烷基硫酸钠以C12H25SO4-的形式吸附在气泡液膜上，形成双分子吸附膜，C12H25SO4-的负电荷间产生电排斥性致使C12H25SO4-在液膜中无法形成紧密排列，见图2，表面黏度较低，稳泡作用差。当加入十二醇后，非离子型的十二醇可插入两个C12H25SO4-负离子之间形成排列紧密的混合膜，见图3，在混合膜中由于分子间的排列间距缩小，增强了分子间的相互作用，非极性碳氢链间的范德华力的增加有利于界面黏度的增加，同时十二醇非离子的插入会使C12H25SO4-负离子间的电排斥性减弱，界面膜强度提高。海藻酸钠和CMC的加入使半衰期提高，是因为随着泡沫的黏度增加，界面膜液体的流动性降低，其析液速率降低，泡沫半衰期增长。瓜尔胶的加入使泡沫性能稍变差，其中CMC对十二烷基硫酸钠发泡液的增黏效果最好。综合发泡体积与半衰期，选用十二醇与CMC复配来增强其泡沫性能。

2.2.2稳定剂复配比例对泡沫性能的影响

十二烷基硫酸钠浓度为3 g/L，稳定剂（十二醇与CMC复配）浓度为0.3 g/L，选取不同复配比例的稳定剂进行搅拌法发泡，搅拌速度为1 100 r/min，室温20℃，试验结果见图4。

由图4可以看出，十二醇与CMC的不同复配比对发泡体积的影响不大，但对半衰期影响较大，复配后半衰期均比单一稳定剂大，且当其复配比例为4∶6时达到最大。这是因为十二醇与CMC复配后具有协同增效的作用，提高了泡沫的黏弹性［9］，而且十二醇分子中的醇羟基与CMC中的羧基、羟基形成氢键和范德华力，与水分子形成氢键，可锁住水分子，使界面膜液体不易析出，同时气液界面发泡剂和稳定剂分子的空间结构更紧密、相互间的作用力更强，形成的液膜强度增加，半衰期增加，但是当CMC含量增加至一定数值时，CMC分子量很大，体积明显大于发泡剂，泡沫界面液体中的CMC大分子数量增多，使界面液膜中疏水基的密度减小，分子间的范德华力减小，所以半衰期大大降低。

2.2.3稳定剂复配比例对发泡液表面张力的影响

十二烷基硫酸钠浓度为3 g/L，稳定剂浓度为0.3 g/L，选取下列稳定剂复配比例进行搅拌法发泡，搅拌速度为1 100 r/min，室温20℃，测试其表面张力，五次测试结果非常接近，试验结果见图4。

由图5可以看出，随着稳定剂中CMC含量的增加，发泡液的表面张力越来越大，但是当复配比例为4∶6时出现拐点，即复配比例为4∶6。结合图4可知，拐点处的泡沫性能最佳，当CMC的浓度在拐点之前，发泡液的表面张力较低，发泡性能较好；在拐点之后，CMC的浓度继续增大，表面张力增大，其泡沫性能变差，这是因为CMC超过一定浓度后，由于CMC大分子的体积大、空间位阻大，使得气液界面上SDS分子的非极性基长碳链分布的密度降低，导致发泡液表面张力增大，使泡沫界面膜的间距变大，泡沫密度变小，半衰期下降，泡沫性能变差。

2.2.4复配稳定剂浓度对泡沫性能的影响

SDS浓度为3 g/L，以十二醇和CMC的比例为4∶6复配稳定剂，改变其浓度，研究其发泡体积和半衰期。测试结果见图6。

由图6可以看出，随着稳定剂的加入，发泡液的发泡量会降低，且随浓度的增大有不同程度的减少，而半衰期呈增长趋势。当稳定剂浓度为0.8～2 g/L时，发泡液的综合泡沫性能较好。

2.3搅拌速度对泡沫性能的影响

2.3.1搅拌速度对发泡体积和半衰期的影响

在室温20℃，发泡剂十二烷基硫酸钠浓度为3 g/L、稳定剂浓度为0.3 g/L和十二醇与CMC的复配比例为4∶6条件下进行搅拌法发泡，研究搅拌速度对泡沫性能的影响，试验结果见图7。

由图7可以看出，随着搅拌速度的增大，发泡体积、半衰期均随之增大，且当搅拌速度小于1000r/min时，泡沫的综合性能很差；当搅拌速度大于1000r/min时，泡沫性能大大提高。这是因为在搅拌速度较低时，发泡量较少，泡沫间液膜较厚，排液较快；在搅拌速度较高时，发泡量较大，发泡剂分子、稳定剂分子分布均匀，相邻分子之间的作用力较强，泡沫的黏弹性较好，不易排液，所以发泡性能较好。

2.3.2搅拌速度对泡沫尺寸的影响

发泡剂浓度为3 g/L，改变稳定剂浓度和搅拌速度，研究其对泡沫尺寸的影响，其中转速分别为1 000、1 400、1 600 r/min，稳定剂质量浓度分别为0.7、2.0 g/L。试验结果见图8。

由图7、图8和图9可以看出，相同稳定剂浓度的发泡液随搅拌速度增高，发泡量越大，半衰期增长，泡沫的体积变得越小，更加均匀，主要由于搅拌的速度增大，带入的空气量增多，发泡体积增大；在搅拌速度相同的条件下，发泡液中稳定剂的浓度越高，泡沫越小，但发泡体积略有降低。

3　结论

（1）综合考虑发泡体积、半衰期和成本，在SDS时浓度为3 g/L、稳定剂浓度在0.8～2 g/L时，其泡沫性能较好，可满足需要。

（2）稳定剂复配后其泡沫性能高于单一稳定剂，十二醇和CMC具有协同增效的作用，且当复配比例为4∶6时发泡体积和半衰期达到最大值，泡沫性能最好。用CMC取代十二醇，降低稳定剂十二醇的异味和毒性。

（3）在发泡液中加入CMC，可以提高溶液的表面张力，且在一定浓度范围内对溶液的黏度影响不大，超过一定浓度后，黏度大大增加，但泡沫性能下降。

（4）泡沫的发泡体积和半衰期随搅拌速度的增加而提高，泡沫尺寸随之增加而减小。相同转速条件下，稳定剂浓度越高，泡沫越小越细腻。

［1］ 陈英，车迪，张倩洁.纺织品泡沫染整的发展与应用现状［J］.纺织导报，2013（10）：34-38

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［7］ 谭思思，余弘，王元丰.活性染料泡沫染色液的起泡性及稳定性［J］.纺织学报，2013，34（11）：71-76.

［8］ 闫戈.AGES系列表面活性剂的合成和性能研究［D］.成都：成都西南石油学院，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

赵亚楠（1992-），女，硕士研究生，主要从事纺织清洁印染与功能方面的研究。