1、SDS/C12A复配泡沫的性质及CO2/N2开关响应性能研究摘 要本文通过一系列起泡实验，测定泡沫的析液半衰期、泡沫半衰期、泡沫衰变曲线以及表面张力来研究SDS/C12A复配泡沫的性质及CO2/N2开关响应性能，并分别探究了无机盐和油相对复配泡沫性质及CO2/N2开关响应性能的影响。研究结果表明，SDS/C12A复配体系具有较好的泡沫稳定性，泡沫性质优越，并随着复配体系浓度的升高，泡沫稳定性先增加后趋于稳定。无机盐和油相均降低SDS/C12A复配体系的泡沫稳定性。SDS/C12A复配泡沫在通入CO2后可以实现快速消泡，具有良好的CO2/N2开关响应性能。由于C12A质子化，SDS和C12A生成
2、阴阳离子对，导致响应之后表面张力大于响应之前。加入无机盐和油相，复配体系仍然具有较好的CO2/N2开关响应性能。本文对新型CO2/N2开关响应型泡沫的研究和应用有一定的指导意义。关键词：泡沫；表面活性剂；SDS/C12A复配体系；CO2/N2开关响应；表面张力The Research of SDS/C12A Compound Foam Properties and CO2/N2 Switch Response PerformanceAbstractIn this paper, a series of foaming experiments were conducted to determine
3、 the drainage half-life, the foam half-life, the foam decay curve and the surface tension to study the SDS/C12A compound foam properties and the CO2/N2 switch response performance. And the effects of inorganic salt and oil phase on compound foam properties and CO2/N2 switch response performance were
4、 investigated respectively. The results show that the SDS/C12A compound system has good foam stability and excellent foam properties. As the concentration of the compounding system increases, the foam stability first increases and then tends to be stable. Both the inorganic salt and the oil phase re
5、duce the foam stability of the SDS/C12A compounding system. The SDS/C12A compound foam can achieve rapid defoaming after CO2 admission, and has good CO2/N2 switch response performance. Due to the protonation of C12A, SDS and C12A generate anion and cation pairs, resulting in a surface tension greate
6、r than that before the response. Adding inorganic salt and oil phase, the compounding system still has good CO2/N2 switch response performance. This paper has a certain guiding significance for the research and application of the novel CO2/N2 switch response foam.Keywords: Foam; Surfactant; SDS/C12A
7、 compounded system; CO2/N2 switch response; Surface tension目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 泡沫概述21.2.1 泡沫的定义21.2.2 泡沫的性质及应用21.2.3 泡沫的形成及衰变21.3 表面活性剂概述41.3.1 表面活性剂的定义41.3.2 表面活性剂的分类51.3.3 表面活性剂的性质61.4 CO2/N2开关型表面活性剂概述71.4.1 开关型表面活性剂71.4.2 CO2/N2开关型表面活性剂71.5 CO2/N2开关响应型泡沫的研究现状81.6 研究内容9第2章 实验试剂及仪器102.1 实验试剂102.2
8、实验仪器10第3章 SDS/C12A复配泡沫的性质研究123.1 单一体系与复配体系泡沫性质对比123.1.1 实验过程与方法123.1.2 结果与讨论123.2 不同浓度SDS/C12A复配泡沫的性质143.3 无机盐对SDS/C12A复配泡沫性质的影响153.4 油相对SDS/C12A复配泡沫性质的影响173.5 泡沫衰变过程与泡沫形态记录193.6 本章小结20第4章 SDS/C12A复配泡沫的CO2/N2开关响应性能研究224.1 SDS/C12A复配泡沫的CO2/N2开关响应性能研究224.1.1 不同浓度SDS/C12A复配泡沫的CO2/N2开关响应性能224.1.2 表面张力变化
9、234.1.3 响应机理254.2 无机盐对SDS/C12A复配泡沫的CO2/N2开关响应性能影响264.3 油相对SDS/C12A复配泡沫的CO2/N2开关响应性能影响294.4 本章小结31第5章 结论32致 谢33参考文献34第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言泡沫是一种经常用在日常生活中和工业领域中的物质，其应用十分普及。在我们的日常生活中，泡沫可以应用于洗涤剂、牙膏、化妆品和其他领域；在工业领域中，泡沫可以应用于矿物浮选、泡沫分离、提高石油采收率、泡沫灭火等1-4。因为仅仅纯的泡沫的稳定性比较差，致使其在各方面的应用均会受到一定的限制。由于表面活性剂具有亲水基团和疏水基团，其可以降低
10、气-液表面张力，进而提高泡沫稳定性。通常情况下，表面活性剂只需要在特定步骤时起作用，这一步骤结束后，要求表面活性剂的表面活性丧失或者表面活性剂能够回收再利用，这样可以减小环境污染5-7。这一问题可通过开关响应型表面活性剂得到解决，其可通过不同的触发手段，使得分子结构发生可逆转变导致宏观性质发生重大变化。目前，已知的触发手段有温度、光、pH、氧化还原、磁场及CO2等8-12。CO2/N2开关响应型表面活性剂是以CO2为触发手段的表面活性剂，通过向溶液中通入CO2来启动表面活性，实现“开”的功能；向溶液中通入N2或加热来关闭表面活性，实现“关”的功能。由于空气中含有丰富的CO2，且CO2具有绿色、
11、环保、廉价及低耗能等诸多优点，在环境修复、药物控制释放、药物合成、分离工程以及油气开采等领域具有极大的应用前景13。目前主要的CO2/N2开关响应型表面活性剂有含咪唑啉基、脒基、胍基以及叔胺基的表面活性剂，其中研究和应用最为广泛的是含脒基和叔胺基的CO2/N2开关响应型表面活性剂14-16。加拿大皇后大学Scott等人研究了以咪唑啉基、脒基、胍基以及叔胺基为头基的CO2/N2开关响应型表面活性剂17，指出长链烷基叔胺是一类结构简单、合成简便、成本低廉的CO2/N2开关响应型表面活性剂，由于其与CO2、水反应产物单一（叔胺碳酸氢盐）且响应性好，是一种非常有前途的、极具应用前景的CO2/N2开关响
12、应型表面活性剂。本文所用的N-十二烷基-N,N-二甲基叔胺（C12A）便为含叔胺基的CO2/N2开关响应型表面活性剂。1.2 泡沫概述1.2.1 泡沫的定义泡沫在我们的日常生活中存在很普遍，作为一种气/液分散体系，是气体以微米到毫米级小气泡的形式分散于液体中的体系。其属于粗分散体系，分散相是气体，连续相是液体，具有热力学的不稳定性。图1-1为泡沫结构图。由于纯液体是不具备发泡性能的，那么想要得到高质量的稳定泡沫，就需要在液体中加入起泡剂或者稳泡剂。最广泛使用的起泡剂是表面活性剂。加入表面活性剂的溶液可以产生质量较好的泡沫，用的较多的稳泡剂是醇和胺等氧化物，可以起到稳定泡沫的作用。另外，蛋白质等
13、一些水溶性的高分子也是良好的发泡剂，加入溶液中可以产生高质量的稳定泡沫16。图1-1 三个气泡相互接触时界面膜形态1.2.2 泡沫的性质及应用溶液的起泡能力和泡沫的稳定性是泡沫最重要的两个性质，是研究泡沫性质的两个重要参考标准18。所谓溶液的起泡能力，指的就是含有起泡剂或者含有稳泡剂的溶液，所能够生成泡沫的体积；所谓泡沫的稳定性，指的就是所生成的泡沫能够存在的时间长短，是用来预测消泡困难程度的一项指标19。泡沫析液的快慢、泡沫的聚结和泡沫膜的强度是影响泡沫稳定性的主要因素20-22。泡沫与人们的日常生活息息相关，其可应用于泡沫浴、制备发泡食品以及牙膏等方面。另外，泡沫在工业技术领域也有着极为广
14、泛的应用，其可以用于泡沫的浮选、泡沫的分离、泡沫的驱油、泡沫的灭火等多个方面23。1.2.3 泡沫的形成及衰变要想形成泡沫，有一个必须满足的条件是液体和气体之间发生接触。有两种方法可以达到这一条件：一种方法是直接将外来气体引入起泡液体中; 另一种方法是在某些条件下，溶液中发生反应，生成不溶于起泡液体的气体。以表面活性剂这种起泡剂作为例子，其分子是由两种不同类型的极性基团构成的有机化合物。一种是亲水性的，另一种是疏水性（亲油性）的。在水中加入表面活性剂后，一部分表面活性剂吸附在气-液界面上，另一部分会以胶束状态在水相中聚集。吸附在气-液界面上的那部分表面活性剂由于其两亲性使得亲水性基团伸向水中，
15、而疏水性基团伸向空气中，形成表面活性剂定向排列的直立状态；附着在水相中的另一部分表面活性剂吸附在气泡周围形成大的气泡，并且亲水基团对水分子有很强的吸引作用，导致表面活性剂分子倾向于继续停留在水中保持其状态不发生变化。而因为疏水基团所具有的疏水作用，水中的表面活性剂有向气相中运动的趋势。再加上浮力对它的助推作用，气泡会上升到气/液界面处并同处于界面的表面活性剂接触而形成如图1-2所示的双吸附层。当许多气泡聚集在一起时，它们形成了一种生活中常见的呈蜂窝状的泡沫。图1-2 表面活性剂分子在泡沫上的吸附作用起泡完成后，由于气液密度差的原因，液体中存在的气泡会迅速上升至液面。但是泡沫是不稳定的，会随着时间的延长逐渐发生泡沫衰变，最终导致泡沫的完全消除。泡沫衰变的原因有两方面：泡沫中液体的析出和气体穿透液膜进行扩散24-27。泡沫衰变由三个过程决定：泡沫中液体的析出、泡沫的粗化、液膜的破裂28。（1）泡沫中液体的析出气泡间相互挤压和重力作用造成泡沫中液体的析出29。在三个气泡的相交处，通常情况下会形成如图1-3所示的Plateau边界。由Laplace公式可知：PB-PA=/R （1-1）PA、PB分别表示图1-3中所示的A、B处液膜的压力，表示表面张力，R表
