2023-02-16
摘要
泡沫體系在食品、清潔產(chǎn)品、衛(wèi)生和健康行業(yè)中經(jīng)常被應(yīng)用，也常用于建筑材料(隔熱和隔音、減震器)或航空航天/汽車(chē)領(lǐng)域的輕型材料中。另一方面，在某些情況下，泡沫是不受歡迎的子產(chǎn)品，必須加以限制(造紙、印刷)。由于泡沫不穩(wěn)定現(xiàn)象的多樣性，測(cè)量和分析泡沫仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本說(shuō)明展示了基于SMLS的Turbiscan技術(shù)，科學(xué)地表征泡沫穩(wěn)定性：泡沫高度，泡沫大小，發(fā)泡能力…
定義
泡沫，是聚在一起的許多小泡。由不溶性氣體分散在液體或熔融固體中所形成的分散物系。表面活性劑吸附在氣泡表面，以減少界面張力(氣泡/片層)，并且對(duì)起泡性、泡沫穩(wěn)定性和發(fā)泡質(zhì)量起重要作用。
起泡性取決于表面活性劑的性質(zhì)、濃度、連續(xù)相粘度。起泡性(產(chǎn)生的泡沫量)和泡沫的穩(wěn)定性是兩個(gè)要考慮的獨(dú)立屬性。泡沫失穩(wěn)過(guò)程主要有三個(gè)方面：
泡沫聚并---泡沫中分開(kāi)兩個(gè)氣泡的薄膜破裂
奧氏熟化---由于拉氏壓差的存在，最小的氣泡通過(guò)液膜擴(kuò)散到較大的氣泡中
排水作用---液體從液膜中流走
這些現(xiàn)象往往結(jié)合在一起，隨著時(shí)間的推移，氣泡的尺寸增加，排水作用進(jìn)一步促進(jìn)了聚并，液體和氣體之間相分離。Turbiscan®是研究泡沫精確可靠的工具，可以獲得發(fā)泡過(guò)程中的泡沫高度和失穩(wěn)現(xiàn)象隨時(shí)間的變化。
儀器原理
基于靜態(tài)多光散射(SMLS)的Turbiscan技術(shù)的工作原理是利用近紅外光源照射樣品，然后獲取樣品從底部到頂部整個(gè)高度的背散射(BS)和透射(T)信號(hào)。
信號(hào)強(qiáng)度與粒子的濃度(φ)和大小(??)有關(guān)，連續(xù)相折射率(????)和分散相折射率(????)為固定參數(shù)。BS和T的測(cè)量可以采用掃描方式進(jìn)行，以提供穩(wěn)定性和粒徑測(cè)量。
應(yīng)用案例
泡沫高度——一次掃描
下圖顯示了發(fā)泡過(guò)程(30秒)后的次掃描。只需30秒，Turbiscan就能提供有關(guān)起泡性的信息---泡沫高度以及初始?xì)馀荽笮 ?/p>
區(qū)域(1)：樣品底部-透射光信號(hào)
透射光的信號(hào)峰對(duì)應(yīng)于瓶子底部的水相
區(qū)域(2)：樣品的頂部和中部-背散射光信號(hào)
背散射光的信號(hào)峰來(lái)自于氣泡的散射。泡沫高度很容易測(cè)量(27.4毫米)。由于已知初始液體高度，就可以很容易地確定發(fā)泡性(泡沫體積/初始液體體積)以及初始?xì)馀荽笮?這里是450 μm)
泡沫穩(wěn)定性——隨時(shí)間多次掃描
隨著時(shí)間的推移，重復(fù)掃描樣品，以研究泡沫參數(shù)的演變，如氣泡大小、泡沫損失、氣泡合并率。下圖是Turbiscan在30分鐘的實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的泡沫的演變，次掃描為藍(lán)色，最后一次掃描為紅色。
區(qū)域(1)：樣品底部-透射光信號(hào)
左圖底部傳輸信號(hào)增加，對(duì)應(yīng)于樣品底部水相澄清度的增加，峰的寬度增加對(duì)應(yīng)于分水體積的增加。
區(qū)域(2)：樣品中間-背散射信號(hào)
隨著時(shí)間的推移，背散射信號(hào)隨著氣泡尺寸的增大而減小，即氣泡的聚并。
區(qū)域(3)：樣品頂部-透射光信號(hào)
峰出現(xiàn)在右側(cè)，并從右側(cè)向左側(cè)發(fā)展。這與泡沫破裂相對(duì)應(yīng)，泡沫體積逐漸縮小，導(dǎo)致高度降低。
實(shí)際應(yīng)用
1. 使用T-MIX模塊或DNS型號(hào)直接測(cè)量發(fā)泡能力
上表是三個(gè)表面活性劑在相同的攪拌速度下發(fā)泡能力的評(píng)價(jià)。表面活性劑A比表面活性劑B和C產(chǎn)生的泡沫更多。
2. 氣泡直徑
基于Mie理論，Turbiscan®能夠計(jì)算氣泡的平均直徑隨時(shí)間的變化，并且不需要任何樣品準(zhǔn)備。
通過(guò)計(jì)算斜率，可以很容易地得到氣泡的聚并速率:
與表面活性劑A相比，表面活性劑B和C的初始?xì)馀荽笮〔煌?約430μm vs 630μm)，泡沫質(zhì)量不同。此外，表面活性劑C構(gòu)成的泡沫的聚結(jié)速度最慢。
3. 泡沫穩(wěn)定性和半衰期
從上圖中可以確定泡沫的初始量和泡沫損失的速度(曲線(xiàn)的斜率)，從而很容易評(píng)估泡沫的穩(wěn)定性。
注：泡沫穩(wěn)定性可以用泡沫半衰期來(lái)表示。半衰期被定義為初始泡沫體積/高度的一半坍塌所需的時(shí)間，使用這種技術(shù)可以很容易地確定。
4.排水速度
隨著時(shí)間的推移，底部液相逐漸增高，稱(chēng)為排水。通過(guò)跟蹤樣品底部透射峰隨時(shí)間變化的厚度，可以精確而快速地測(cè)量該厚度:
表面活性劑C產(chǎn)生的泡沫排水速度最慢，這必然與泡沫的初始大小和泡沫的穩(wěn)定性有關(guān)。
結(jié)論
使用SMLS技術(shù)可以科學(xué)地測(cè)量起泡性，泡沫大小和泡沫穩(wěn)定性。所有的數(shù)據(jù)都可以總結(jié)在雷達(dá)圖中，以便比較不同的配方，選擇的配方。
表面活性劑B在所有參數(shù)上都被表面活性劑A和C所超越，可以認(rèn)為是效率最低的發(fā)泡劑。對(duì)于泡沫的產(chǎn)生，表面活性劑A是最合適的發(fā)泡劑，它產(chǎn)生的泡沫量最多，但泡沫不如表面活性劑C產(chǎn)生的泡沫細(xì)膩和穩(wěn)定。因此，為了穩(wěn)定和最好的泡沫質(zhì)量，表面活性劑C是的表面活性劑。
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