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使用 TURBISCAN 测试发泡性能和泡沫稳定性

2024-12-16

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泡沫在日常生活中非常常见,存在于许多食品、清洁产品、卫生及保健品以及建筑材料(隔热隔音材料、减震部件)或航空航天/汽车领域的轻质材料中。另一方面,在某些情况下,泡沫在一些行业(造纸、印刷)的生产中需要被限制。由于涉及的现象多种多样,测量和分析泡沫仍然是一项挑战。本文主要介绍了基于 SMLS 技术的 Turbiscan (多重光散射仪)提供了一种相关且可靠的方法来充分表征泡沫的稳定性,包括:泡沫高度、气泡大小、发泡性能、泡沫稳定性……


背景

泡沫是一种两相系统,由气体在凝聚相中的分散体组成,凝聚相通常是水相,但也可以是固体。表面活性剂是吸附在气泡表面,并降低气泡和薄层之间界面的表面张力。表面活性剂在发泡性能、泡沫稳定性和泡沫质量方面起着至关重要的作用。发泡性受表面活性剂的性质、浓度和液相粘度的影响,并与产生的泡沫量有关。


区分发泡性和泡沫稳定性至关重要,这是两个独立的特性。泡沫不稳定涉及三个主要过程。


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表格1. 泡沫不稳定现象


▪ 样品和测试

 在本研究中,研究了三种发泡剂(表面活性剂 A、B、C - 水中 10%wt)。稳定性测量进行了 10 分钟。

测试结果:

① 使用 TURBISCAN 测定发泡和起泡性

一旦产生泡沫,就可以用 TURBISCAN 轻松测量泡沫高度和体积,并确定发泡能力:


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表格2. 三种泡沫的发泡性


② 气泡直径

TURBISCAN 可根据背散射测量和米氏理论计算出气泡的平均直径随时间的变化,无需任何样品制备。仅通过输入 3 个参数(两相折射率和体积分数)即可监测气泡的初始尺寸和聚结动力学。


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图1. 气泡直径随时间的变化


通过确定动力学的斜率,可以很容易地获得气泡聚结速率:


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表格3. 三种泡沫的聚结速度


我们可以从表中发现,与表面活性剂 A 相比,表面活性剂 B 和 C 的初始气泡尺寸不同(~430µm vs 630µm),泡沫质量也有所不同。此外,表面活性剂 C 制成的泡沫聚结速度最慢。

③ 泡沫稳定性和半衰期


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图2. 泡沫高度随时间的变化


从前面的图表中,还可以确定泡沫的初始量以及泡沫消失的速度(曲线的斜率),从而可以轻松评估泡沫的稳定性。


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表格4. 三种泡沫的泡沫损失速度


④ 排水阶段

重力使液体态样品向下流动,从而增加了底部液相(称为排液相)的体积。


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图3. 泡沫高度随时间的变化

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表格5. 三种泡沫的排水阶段速度


表面活性剂C产生的泡沫排水速度最慢,这必然与其气泡尺寸(最小)和泡沫的稳定性有关。


⑤ 数据解释

使用 SMLS 技术进行泡沫分析可提供广泛的泡沫精确指标:从发泡性到气泡大小以及泡沫稳定性测量。所有数据均可汇总在雷达图中,用于比较不同的配方并选择配方。


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图4. 泡沫体系综合能力评价雷达图


表面活性剂 B 在所有参数上都优于表面活性剂 A 和 C,可以认为是效率最低的发泡剂。对于泡沫生成,表面活性剂 A 是最合适的发泡剂,它能产生最多的泡沫。然而,不如表面活性剂 C 产生的泡沫细腻和稳定。因此,在泡沫稳定性和筛选最细腻的泡沫方面,表面活性剂 C 是的。

▪ 结果

TURBISCAN 可以研究泡沫的整个寿命,从产生到破裂,并监测关键参数:稳定性、气泡大小和聚结速率等。因此,它非常适合准确评估泡沫产品的质量,并做出正确的决策,以优化产品效率和质量。


参考文献

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