清洁产品配方中的泡沫优化（上）

摘要：每一个清洁产品配方都需要有合适的泡沫性能。某些产品，如手洗餐具洗涤剂和洗发香波，需要较高而持久的泡沫。其他产品，如自动洗碗机用洗涤剂和游泳池消毒剂，则需要较低且能快速消失的泡沫。

DOI:10.16054/j.cnki.cci.2018.04.004

本文从应用的角概述了基本的泡沫优化原理，以及如何提升或降低不同表面活性剂及其配方的泡沫的案例。

泡沫是由气泡连接在一起构成的。在许多应用中，如洗发香波和手洗餐具洗涤剂，是希望有泡沫的；然而在许多其他应用如自动洗碗机用洗涤剂和水处理中，却希望是低泡或快速消泡。为控制产品的泡沫，理解有关泡的一些原理及其影响因素是有必要的。

1 泡沫产生和破裂的原理

表面活性剂吸附在水面降低吉布斯自由能的特性是泡沫产生的驱动力。当表面活性剂浓度达到或高于临界胶束浓度（CMC）时，达到最大吸附值。

气泡一旦形成，无论是在水底或者浮到水面，都会有吸附着表面活性剂分子的单层膜或双层膜。由于气泡膜是弯曲的，通常气泡内外的气压会有一个差值。这一压差值。这一压差是导致气泡破裂乃至最终泡沫消失的驱动力。

为达到以Ross-Miles泡沫测试法测定的较高初始泡沫高度，表面活性剂分子需要以足够快的速度移动，当气泡上浮到液体顶部且尺寸变大时，可以在新增加的区域达到新的吸附平衡（图1）。

当气泡从单层膜变为双层膜且尺寸变大时，压差也在改变，其原理如杨-拉普拉斯方程（YoungLaplace equations）式 (1) 和式 (2) 所示。

式中：

g 代表表面张力；

ΔP代表气压差；

r 1和r 2代表曲率半径；

R1代表气泡的球形半径；

R2代表球形气泡双层膜的平均半径；

式 (1) 适用于位于水底的单层膜气泡；式 (2) 适用于水面或水上的双层膜气泡。

2 影响泡沫的因素

气泡是由双层膜以及膜间的液体构成的（图2）。

考虑影响膜和液体的因素很重要。在影响气泡（以及最终的泡沫）形成和破裂的众多因素中，有3个影响膜的主要因素和4个影响液体的主要因素。

对膜的影响而言，电解质的存在、含有电解质的络合物的形成以及表面活性剂尾部结构是3个重点考虑的因素。黏度、温度、聚合物的存在以及溶液是影响液体的主要因素。

2.1膜

2.1.1 电解质对膜的影响

电解质对泡沫的影响可以用吉布斯吸附等温线方程式 (3) 和式 (4) 来表述。

式中：

Γ 代表每单位表面积表面活性剂分子的吸附量。数值越大，膜中包裹的表面活性剂分子越好，从而泡沫越稳定；

c代表达到或低于临界胶束浓度时的表面活性剂浓度；

R代表阿伏伽德罗常数；

T代表体系温度。

方程式(3)适用于含有1∶1型电解质（如NaCl）的离子型表面活性剂。另外，若应用方程式 (3) ，电解质浓度必须要远高于表面活性剂浓度。方程式(3) 也可用于非离子表面活性剂，无论该体系是否有电解质。方程式 (4) 适用于无电解质存在时的离子型表面活性剂。

方程式 (3) 和式 (4) 表明电解质有助于使离子型表面活性剂产生的泡沫更稳定，但对非离子型表面活性剂泡沫无效。

电解质溶解在水中时，产生正、负离子，并以多种不同形态的分子存在，举例如下：

电解质中带电荷离子可以作为离子型表面活性剂如阴离子、阳离子、两性离子和氧化胺的反离子。

2.1.2 络合物对膜的影响

离子型表面活性剂分子可以与电解质中的反离子形成络合物。络合物对膜或泡沫是否影响以及如何影响取决于所形成的络合物在水中的溶解度。

2.1.3 尾部结构对膜的影响

通常，直碳链尾部有助于形成相对稳定的泡沫，带有支链的尾部有助于降低泡沫。多直链尾部具有与支链尾部相似的作用。

2.2 液体

液体的量是提供稳定泡沫的重要因素。双层膜间的液体量越多，产生的泡沫就越丰富。液体量越少的干性泡沫弹性越差，就越容易受外界影响而破裂。下列4个因素各自都会对液体产生影响，4个因素也会相互作用。

2.2.1 黏度

较高的黏度有助于保留水分，进而稳定泡沫。黏度可能受温度改变、聚合物的添加、电解质、溶剂、助水溶物或其他因素影响。

2.2.2 温度

较高的温度会加速水分的蒸发、排出，降低液体黏度，从而使泡沫不稳定。另外，较高的温度有助于非离子表面活性剂更快移动，在泡沫形成过程

中新增加表面区域的液体和膜之间达到新的吸附平衡，从而形成更高的初始泡沫。

2.2.3 聚合物

当离子型表面活性剂和水溶性聚合物之间没有形成强络合物时，该聚合物通常有助于提高黏度、稳定泡沫。需要指出的是：阴离子、阳离子、两性离子以及包括氧化胺在内的离子型表面活性剂根据浓度不同，能够与离子型聚合物形成较强的的络合物。

2.2.4 溶剂

挥发性溶剂如乙醇或异丙醇，通常用于消费品中使其在不同的储存温度下保持体系稳定或保持产品的透明度，但其挥发速度比水快。这会降低液体的黏度，从而也会使泡沫不稳定。

3 泡沫稳定性实验

除非特别说明，泡沫稳定性数据都是以ROSSMiles泡沫测试法（ASTMD1173-53）测试得到的。

3.1 自来水和去离子水中表面活性剂的泡沫行为图3～图5描述了表面活性剂在自来水和去离子水中的泡沫情况。

图3表明，在去离子水中加入4%的Na₂SO₄有助于稳定泡沫，但是并不够，因为溶解后电解质浓度只有40mg/kg，而表面活性剂分子浓度为200mg/kg。当在水硬度为100mg/kg的自来水中测试时，由于Ca²⁺/Mg²⁺和LAS离子络合度较弱，初始泡沫高度降低，但因为电解质总浓度较高，泡沫稳定性较好。

图4展示了7种表面活性剂在自来水中的泡沫情况。月桂基乙氧基化硫酸钠-3EO（SLES-3EO）、椰油酰胺丙基甜菜碱（CAPB）、直链烷基苯磺酸钠

（NaLAS）和月桂基-N,N-二甲基氧化胺（C₁₂AO）所产生的泡沫受硬水影响较小；而氯化烷基二甲苯甲基铵（ADBAC）由于阳离子表面活性剂与自来水中的CO₃^2-形成络合物，导致泡沫不稳定。

AEO11-9由于电解质的存在对泡沫几乎没有影响，如上述方程式 (3) 中所展示的那样，因而所形成的泡沫相对比较稳定，泡沫低表明其与离子型表面活性剂相比具有较高的相对分子质量。月桂基硫酸钠（SLS）由于表面活性剂的阴离子电荷和自来水中的Ca²⁺形成强络合物，导致其泡沫低且持续时间短。

图5展示了表面活性剂在去离子水中的泡沫情况。由图5可以看到：直链烷基苯磺酸钠、SLES-3EO、CAPB和C12AO的泡沫情况与自来水中基本相同；但ADBAC的泡沫增加了，原因是没有或者有极少量的络合物生成。与超纯水相比，普通实验室去离子水仍然具有一定的水硬度和碳酸盐。

文章来源：中国洗涤用品行业信息网