泡沫的形成和稳定性

泡沫的形成和稳定性

泡沫的形成非常简单，只要向起泡剂（表面活性剂或高分子化合物）溶液中通入气体，在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成后，气泡壁间夹带上来的液体在重力作用下向下流失，液膜逐渐变薄，气泡互相接近而变形。图 1 是三个气泡互相接近时的变形情况，三个气泡的交界处称为普拉托交界。根据拉普拉斯方程， A 处的压力大于 B 处，膜中液体向普拉托交界处流动，液膜进一步变薄。在此过程中，如果液膜强度不够，则液膜破裂，泡沫逐渐消失。如果起泡剂能在气-液界面吸附形成较紧密的单分子层，则液膜变薄到一定厚度后，两个单分子层在液相相遇而发生空间阻碍作用或两个扩散双电层重叠而发生电性排斥作用，此两种作用均可阻止液膜进一步变薄。液膜在某一厚度达到平衡，泡沫可处于暂时稳定状态。因此，吸附单分子层在接近时造成的空间阻碍作用和双电层的排斥作用愈大，泡沫愈稳定。

泡沫受外界干扰时的情形
泡沫中液膜受外界搅动时会发生局部变薄（图 2）。变薄的区域中，由于表面面积的扩大，表面上吸附的起泡剂的浓度下降，表面张力上升，因而吸附在液膜表面未受搅动处的起泡剂分子向薄液膜处的表面迁移，使薄液膜处的表面张力和吸附量恢复原值。起泡剂迁移时，带着液面下的一层水分子移动，因而薄处的液膜厚度也增加。此种作用称液膜的弹性效应，此效应的大小可用液膜弹性系数 E 来表示：E=2（dγ）/（dlnA）
式中γ为表面张力； A 为液膜面积。E 越大，液膜抵抗外界干扰的能力越大，泡沫越稳定。 E 的大小与起泡剂在表面的吸附量和体相的浓度有关。表面吸附量大，扩大表面时表面张力的变化就大，因而 E 大。当液膜受干扰处的表面浓度下降时，体相中起泡剂分子也必然向表面扩散和在表面吸附。体相浓度愈大，这一过程进行愈快，因而 E 愈小。因此，起泡剂在体相中浓度应有一最适宜值，此值在胶团临界形成浓度附近。浓度愈小，则吸附量愈小，膜的强度和弹性效应愈小。浓度超过胶团临界形成浓度后，吸附量不变，但膜的弹性效应却会下降。
除了膜的强度和膜的弹性外，影响泡沫稳定性因素还有体相粘度和表面粘度。体相粘度和表面粘度大，则排液速度慢，泡沫稳定。另外，泡沫总是由大小不均的气泡组成，根据拉普拉斯方程，小泡中气体压力比大泡中的大，于是气体从小泡穿过液膜扩散到大泡中，小泡消失，大泡变大，最终泡沫破坏。如果起泡剂分子吸附膜排列紧密，表面粘度大，则气体分子不易透过，泡沫稳定。为了增加泡沫稳定性，常加入极少量稳泡剂（碳链较长的极性有机物，如月桂醇），稳泡剂和起泡剂不仅可在表面形成紧密的混合膜，而且还可降低起泡剂的胶团临界形成浓度和降低起泡剂的吸附速度，因而可增加膜的弹性，使泡沫稳定性增加。