摘要：每一個清潔產品配方都需要有合適的泡沫性能。某些產品，如手洗餐具洗滌劑和洗發香波，需要較高而持久的泡沫。其他產品，如自動洗碗機用洗滌劑和游泳池消毒劑，則需要較低且能快速消失的泡沫。

DOI:10.16054/j.cnki.cci.2018.04.004

本文從應用的角概述了基本的泡沫優化原理，以及如何提升或降低不同表面活性劑及其配方的泡沫的案例。

泡沫是由氣泡連接在一起構成的。在許多應用中，如洗發香波和手洗餐具洗滌劑，是希望有泡沫的；然而在許多其他應用如自動洗碗機用洗滌劑和水處理中，卻希望是低泡或快速消泡。為控制產品的泡沫，理解有關泡的一些原理及其影響因素是有必要的。

1 泡沫產生和破裂的原理

表面活性劑吸附在水面降低吉布斯自由能的特性是泡沫產生的驅動力。當表面活性劑濃度達到或高于臨界膠束濃度（CMC）時，達到最大吸附值。

氣泡一旦形成，無論是在水底或者浮到水面，都會有吸附著表面活性劑分子的單層膜或雙層膜。由于氣泡膜是彎曲的，通常氣泡內外的氣壓會有一個差值。這一壓差值。這一壓差是導致氣泡破裂乃至最終泡沫消失的驅動力。

為達到以Ross-Miles泡沫測試法測定的較高初始泡沫高度，表面活性劑分子需要以足夠快的速度移動，當氣泡上浮到液體頂部且尺寸變大時，可以在新增加的區域達到新的吸附平衡（圖1）。

當氣泡從單層膜變為雙層膜且尺寸變大時，壓差也在改變，其原理如楊-拉普拉斯方程（YoungLaplace equations）式 (1) 和式 (2) 所示。

式中：

g 代表表面張力；

ΔP代表氣壓差；

r 1和r 2代表曲率半徑；

R1代表氣泡的球形半徑；

R2代表球形氣泡雙層膜的平均半徑；

式 (1) 適用于位于水底的單層膜氣泡；式 (2) 適用于水面或水上的雙層膜氣泡。

2 影響泡沫的因素

氣泡是由雙層膜以及膜間的液體構成的（圖2）。

考慮影響膜和液體的因素很重要。在影響氣泡（以及最終的泡沫）形成和破裂的眾多因素中，有3個影響膜的主要因素和4個影響液體的主要因素。

對膜的影響而言，電解質的存在、含有電解質的絡合物的形成以及表面活性劑尾部結構是3個重點考慮的因素。黏度、溫度、聚合物的存在以及溶液是影響液體的主要因素。

2.1膜

2.1.1 電解質對膜的影響

電解質對泡沫的影響可以用吉布斯吸附等溫線方程式 (3) 和式 (4) 來表述。

式中：

Γ 代表每單位表面積表面活性劑分子的吸附量。數值越大，膜中包裹的表面活性劑分子越好，從而泡沫越穩定；

c代表達到或低于臨界膠束濃度時的表面活性劑濃度；

R代表阿伏伽德羅常數；

T代表體系溫度。

方程式(3)適用于含有1∶1型電解質（如NaCl）的離子型表面活性劑。另外，若應用方程式 (3) ，電解質濃度必須要遠高于表面活性劑濃度。方程式(3) 也可用于非離子表面活性劑，無論該體系是否有電解質。方程式 (4) 適用于無電解質存在時的離子型表面活性劑。

方程式 (3) 和式 (4) 表明電解質有助于使離子型表面活性劑產生的泡沫更穩定，但對非離子型表面活性劑泡沫無效。

電解質溶解在水中時，產生正、負離子，并以多種不同形態的分子存在，舉例如下：

電解質中帶電荷離子可以作為離子型表面活性劑如陰離子、陽離子、兩性離子和氧化胺的反離子。

2.1.2 絡合物對膜的影響

離子型表面活性劑分子可以與電解質中的反離子形成絡合物。絡合物對膜或泡沫是否影響以及如何影響取決于所形成的絡合物在水中的溶解度。

2.1.3 尾部結構對膜的影響

通常，直碳鏈尾部有助于形成相對穩定的泡沫，帶有支鏈的尾部有助于降低泡沫。多直鏈尾部具有與支鏈尾部相似的作用。

2.2 液體

液體的量是提供穩定泡沫的重要因素。雙層膜間的液體量越多，產生的泡沫就越豐富。液體量越少的干性泡沫彈性越差，就越容易受外界影響而破裂。下列4個因素各自都會對液體產生影響，4個因素也會相互作用。

2.2.1 黏度

較高的黏度有助于保留水分，進而穩定泡沫。黏度可能受溫度改變、聚合物的添加、電解質、溶劑、助水溶物或其他因素影響。

2.2.2 溫度

較高的溫度會加速水分的蒸發、排出，降低液體黏度，從而使泡沫不穩定。另外，較高的溫度有助于非離子表面活性劑更快移動，在泡沫形成過程

中新增加表面區域的液體和膜之間達到新的吸附平衡，從而形成更高的初始泡沫。

2.2.3 聚合物

當離子型表面活性劑和水溶性聚合物之間沒有形成強絡合物時，該聚合物通常有助于提高黏度、穩定泡沫。需要指出的是：陰離子、陽離子、兩性離子以及包括氧化胺在內的離子型表面活性劑根據濃度不同，能夠與離子型聚合物形成較強的的絡合物。

2.2.4 溶劑

揮發性溶劑如乙醇或異丙醇，通常用于消費品中使其在不同的儲存溫度下保持體系穩定或保持產品的透明度，但其揮發速度比水快。這會降低液體的黏度，從而也會使泡沫不穩定。

3 泡沫穩定性實驗

除非特別說明，泡沫穩定性數據都是以ROSSMiles泡沫測試法（ASTMD1173-53）測試得到的。

3.1 自來水和去離子水中表面活性劑的泡沫行為圖3～圖5描述了表面活性劑在自來水和去離子水中的泡沫情況。

圖3表明，在去離子水中加入4%的Na₂SO₄有助于穩定泡沫，但是并不夠，因為溶解后電解質濃度只有40mg/kg，而表面活性劑分子濃度為200mg/kg。當在水硬度為100mg/kg的自來水中測試時，由于Ca²⁺/Mg²⁺和LAS離子絡合度較弱，初始泡沫高度降低，但因為電解質總濃度較高，泡沫穩定性較好。

圖4展示了7種表面活性劑在自來水中的泡沫情況。月桂基乙氧基化硫酸鈉-3EO（SLES-3EO）、椰油酰胺丙基甜菜堿（CAPB）、直鏈烷基苯磺酸鈉

（NaLAS）和月桂基-N,N-二甲基氧化胺（C₁₂AO）所產生的泡沫受硬水影響較小；而氯化烷基二甲苯甲基銨（ADBAC）由于陽離子表面活性劑與自來水中的CO₃^2-形成絡合物，導致泡沫不穩定。

AEO11-9由于電解質的存在對泡沫幾乎沒有影響，如上述方程式 (3) 中所展示的那樣，因而所形成的泡沫相對比較穩定，泡沫低表明其與離子型表面活性劑相比具有較高的相對分子質量。月桂基硫酸鈉（SLS）由于表面活性劑的陰離子電荷和自來水中的Ca²⁺形成強絡合物，導致其泡沫低且持續時間短。

圖5展示了表面活性劑在去離子水中的泡沫情況。由圖5可以看到：直鏈烷基苯磺酸鈉、SLES-3EO、CAPB和C12AO的泡沫情況與自來水中基本相同；但ADBAC的泡沫增加了，原因是沒有或者有極少量的絡合物生成。與超純水相比，普通實驗室去離子水仍然具有一定的水硬度和碳酸鹽。

文章來源：中國洗滌用品行業信息網