2023-02-16
摘(zhai)要
泡(pao)(pao)沫體(ti)系在食品、清潔產品、衛生和(he)(he)健康行業中經常被(bei)應用(yong)，也常用(yong)于(yu)建筑材料(隔熱和(he)(he)隔音、減震(zhen)器(qi))或航(hang)空航(hang)天/汽車領域的輕型材料中。另一方面，在某(mou)些(xie)情況下(xia)，泡(pao)(pao)沫是(shi)不受歡迎的子產品，必須加(jia)以(yi)限(xian)制(造(zao)紙、印刷)。由于(yu)泡(pao)(pao)沫不穩定現象的多樣(yang)性(xing)，測量和(he)(he)分析泡(pao)(pao)沫仍然(ran)是(shi)一個挑戰。本(ben)說明展(zhan)示了基于(yu)SMLS的Turbiscan技術(shu)，科學地表征(zheng)泡(pao)(pao)沫穩定性(xing)：泡(pao)(pao)沫高度，泡(pao)(pao)沫大小，發泡(pao)(pao)能力…
定(ding)義
泡(pao)沫(mo)，是聚在(zai)(zai)一起(qi)的許多小泡(pao)。由(you)不溶(rong)性氣(qi)體分散在(zai)(zai)液體或熔融固體中所形(xing)成的分散物系。表面活(huo)性劑(ji)吸(xi)附在(zai)(zai)氣(qi)泡(pao)表面，以減少界面張力(氣(qi)泡(pao)/片層)，并且(qie)對(dui)起(qi)泡(pao)性、泡(pao)沫(mo)穩定性和發(fa)泡(pao)質(zhi)量起(qi)重要作用。
起(qi)(qi)泡性(xing)取決于表(biao)面活性(xing)劑的性(xing)質、濃度、連續相粘度。起(qi)(qi)泡性(xing)(產生的泡沫(mo)量(liang))和(he)泡沫(mo)的穩定性(xing)是(shi)兩個要考慮的獨立屬性(xing)。泡沫(mo)失穩過程主要有(you)三(san)個方面：
泡沫聚并---泡沫中(zhong)分開兩個(ge)氣泡的(de)薄膜破裂
奧氏熟化---由于拉氏壓差的(de)存在，最小的(de)氣泡(pao)通(tong)過液膜擴散到(dao)較大的(de)氣泡(pao)中
排水作用---液(ye)(ye)體從液(ye)(ye)膜(mo)中流走
這些現象往往結合在一起，隨著時間的推移，氣泡的尺寸增加，排水作用進一步促進了聚并，液體和氣體之間相分離。Turbiscan®是(shi)研(yan)究泡沫(mo)精確可(ke)靠的工具，可(ke)以獲得發(fa)泡過程(cheng)中的泡沫(mo)高度和失穩現象隨時間的變化。
儀器原理
基于靜(jing)態多光(guang)散射(SMLS)的Turbiscan技術的工作原理(li)是(shi)利(li)用近紅外光(guang)源照射樣品(pin)，然后(hou)獲取樣品(pin)從底部到(dao)頂部整個高度的背散射(BS)和透射(T)信號。
信號強度與粒子(zi)的濃度(φ)和(he)大小(??)有(you)關(guan)，連續相折射率(????)和(he)分散相折射率(????)為固定(ding)(ding)參數。BS和(he)T的測(ce)量可以采(cai)用掃(sao)描方式進行，以提(ti)供(gong)穩定(ding)(ding)性(xing)和(he)粒徑測(ce)量。
應用案例(li)
泡沫高度——一次掃描
下圖(tu)顯(xian)示了(le)發泡(pao)過(guo)程(30秒)后(hou)的次掃(sao)描。只需30秒，Turbiscan就能提供有關起泡(pao)性的信息(xi)---泡(pao)沫高度以及(ji)初(chu)始氣泡(pao)大小。
區域(1)：樣品底部-透射光信號
透射光的(de)信號峰(feng)對應于瓶子(zi)底部的(de)水相
區域(2)：樣品的頂部和中部-背散射光信號
背散射光的信號峰來自于氣泡的散射。泡沫(mo)高(gao)度(du)很容易(yi)測量(liang)(27.4毫米)。由于已知初始液(ye)體高(gao)度(du)，就可以(yi)很容易(yi)地確(que)定(ding)發(fa)泡性(xing)(泡沫(mo)體積/初始液(ye)體體積)以(yi)及初始氣泡大(da)小(xiao)(這里是450 μm)
泡(pao)沫穩定性——隨時間多次掃描
隨著時間的推移，重復掃(sao)描樣(yang)品，以(yi)研(yan)究(jiu)泡(pao)沫(mo)參數的演(yan)變(bian)，如氣泡(pao)大(da)小、泡(pao)沫(mo)損失、氣泡(pao)合并率。下圖是(shi)Turbiscan在30分鐘的實驗中檢測到的泡(pao)沫(mo)的演(yan)變(bian)，次掃(sao)描為(wei)藍色(se)(se)，最后一(yi)次掃(sao)描為(wei)紅色(se)(se)。
區域(1)：樣品底部-透射光信號
左(zuo)圖底(di)部傳輸信號增加(jia)，對應(ying)于樣品底(di)部水(shui)相澄清度的(de)增加(jia)，峰的(de)寬(kuan)度增加(jia)對應(ying)于分水(shui)體積的(de)增加(jia)。
區域(2)：樣品中間-背散射信號
隨著時(shi)間(jian)的推移，背散射信號隨著氣泡(pao)尺寸的增大(da)而(er)減小，即氣泡(pao)的聚并。
區域(3)：樣品頂部-透射光信號
峰出現在(zai)右側，并從(cong)右側向左(zuo)側發(fa)展(zhan)。這(zhe)與泡沫(mo)(mo)破裂(lie)相對應(ying)，泡沫(mo)(mo)體積逐(zhu)漸縮(suo)小(xiao)，導致高度降低。
實際應用(yong)
1. 使用T-MIX模塊或DNS型號直接測量發泡能力
上表(biao)是三個表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)在相同(tong)的(de)(de)攪拌速度下發泡能力的(de)(de)評價。表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)A比表(biao)面(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)B和C產(chan)生的(de)(de)泡沫更多(duo)。
2. 氣泡直徑
基于Mie理論，Turbiscan®能夠(gou)計算氣泡的平均直徑隨時(shi)間的變化，并且不需要(yao)任何樣品(pin)準備。
通(tong)過計算斜率(lv)，可以很容(rong)易(yi)地(di)得到氣泡的聚(ju)并(bing)速率(lv):
與表面(mian)(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)A相比，表面(mian)(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)B和C的(de)初始氣泡大小不(bu)同(約430μm vs 630μm)，泡沫質(zhi)量(liang)不(bu)同。此(ci)外，表面(mian)(mian)活(huo)(huo)性劑(ji)C構(gou)成的(de)泡沫的(de)聚結速度最慢。
3. 泡沫穩定性和半衰期
從上圖中可以確(que)定(ding)泡(pao)沫(mo)的初始量和泡(pao)沫(mo)損(sun)失的速度(曲線的斜率)，從而很容易(yi)評(ping)估泡(pao)沫(mo)的穩定(ding)性(xing)。
注：泡沫穩定性可以用泡沫半(ban)衰(shuai)期(qi)來表示。半(ban)衰(shuai)期(qi)被定義為初始(shi)泡沫體(ti)積/高度(du)的一(yi)半(ban)坍塌所(suo)需的時間，使用這種(zhong)技術可以很容(rong)易地確定。
4.排水速度
隨著時間的推移，底部液相逐(zhu)漸增高，稱為(wei)排水。通過跟蹤樣品底部透射(she)峰隨時間變化的厚(hou)度，可以精確(que)而快速地測(ce)量該厚(hou)度:
表面活性劑(ji)C產生(sheng)的泡沫(mo)(mo)排水速度最慢(man)，這必然與泡沫(mo)(mo)的初(chu)始大小和泡沫(mo)(mo)的穩定性有(you)關(guan)。
結論
使用(yong)SMLS技(ji)術可以科學地測量起泡(pao)性(xing)，泡(pao)沫(mo)大小和泡(pao)沫(mo)穩定性(xing)。所(suo)有的(de)數(shu)據(ju)都可以總結(jie)在雷(lei)達圖中，以便比(bi)較不同的(de)配方(fang)，選擇的(de)配方(fang)。
表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)B在(zai)所有(you)參數上都被表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)A和(he)(he)C所超越(yue)，可(ke)以認為是(shi)效率(lv)最(zui)低的發(fa)泡(pao)劑(ji)。對于泡(pao)沫(mo)的產生，表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)A是(shi)最(zui)合適的發(fa)泡(pao)劑(ji)，它產生的泡(pao)沫(mo)量(liang)最(zui)多，但泡(pao)沫(mo)不如表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)C產生的泡(pao)沫(mo)細(xi)膩和(he)(he)穩(wen)定(ding)。因此，為了穩(wen)定(ding)和(he)(he)最(zui)好的泡(pao)沫(mo)質量(liang)，表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)C是(shi)的表面(mian)(mian)活(huo)性(xing)劑(ji)。
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