芬兰Kibron专注表面张力仪测量技术，快速精准测量动静态表面张力

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醇醚硫酸盐泡排剂的耐温耐盐性能及分子机理研究

来源：日用化学工业（中英文） 浏览 9 次 发布时间:2026-05-21

2 结果与讨论


2.1 动态表面张力


AE2S在200 g/L NaCl溶液环境中发生轻微盐析（稳定且无沉淀）。因此，使用拉板法测量静态表面张力将不准确。因此，采用1.2.1节描述的芬兰Kibron EZ-Pi Plus便携式动态表面张力仪及Wilhelmy板法测量动态表面张力。AE2S、AE5S和AE7S在不同质量条件下的动态表面张力曲线如图4所示。

泡沫生成过程中表面张力的降低可以促进液膜的形成。然而，如果表面张力降低速率过慢或小于液膜的扩张和破裂速率，表面活性剂将无法产生稳定的泡沫。如图4所示，在无NaCl条件下，AE5S和AE7S表现出更快的进入平衡区域的速率。这一现象可归因于具有更多EO单元的AES胶束具有更大的表面积和更低的表面电荷密度，这导致分子间静电排斥减弱，使其能够更高效地重新排列并覆盖气液界面。在含NaCl条件下，AE2S能够实现更低的表面张力。这可能是因为NaCl的加入降低了三种AES的表面电荷，导致分子间静电排斥减弱。然而，随着环氧乙烷加成量的增加，分子体积和气液界面处的空间位阻也增加，导致AE2S更快地降低表面张力。


AEnS p(NaCl)/(g/L) k t→0 /(mN/(m⋅s 1/2 )) D t→0 k t→∞ /(mN/(m⋅s −1/2 )) D t→∞ D t→∞ /D t→0
AE2S 0 -28.04 2.42×10 −12 3.62 2.88×10 −14 1.19×10 −2
100 -17.70 9.64×10 −13 24.63 6.24×10 −16 6.47×10 −4
200 -26.66 2.19×10 −12 21.36 8.30x10-16 3.79×10 −4
AE5S 0 -21.44 1.41×10 −12 2.78 4.88×10 −14 3.45×10 −2
100 -59.57 1.09×10 −11 3.86 2.54×10 −14 2.3×10 −3
200 -28.08 2.43×10 −12 18.85 1.07×10 −15 4.40×10 −4
AE7S 0 -19.40 1.16×10 −12 2.47 6.19x10-14 5.35×10 −2
100 -49.53 7.55×10 −12 3.40 3.28×10 −14 4.34×10 −3
200 -47.26 6.87×10 −12 12.83 2.30×10 −15 3.35x10-4


为了进一步研究三个体系表面张力随时间的变化，引入Ward-Tordai方程和Joos方程的近似解进行分析。该经验公式由公式（2）和（3）给出。

其中t为时间，γ₀、γ_eq和γ(t)分别为纯溶剂的表面张力、混合体系平衡时的表面张力和混合体系在t时刻的表面张力。R为气体常数，n为物质的量，T为温度，c₀为浓度，D为扩散系数，Γ为吸附量。

变量γ(t)t→0和γ(t)t→∞分别与t^(1/2)和t^(-1/2)呈线性相关。图5展示了动态表面张力γ_t随t^(±1/2)的变化。特别是，当使用t^(1/2)作为自变量时，以γ₀-γ_t为因变量的拟合直线斜率为k_t→0；当使用t^(-1/2)作为自变量时，以γ_t-γ_eq为因变量的拟合直线斜率为k_t→∞。两个值分别通过将曲线拟合到相应的D_t→0和D_t→∞获得。如表1所示，对于所有AEnS表面活性剂，D_t→∞始终大于D_t→0。这归因于在吸附开始时，AEnS的吸附势垒相对较低，导致更多的吸附空位。此外，D_t→∞/D_t→0的结果均小于1，表明吸附过程受混合吸附控制。

2.2 界面张力


界面张力可视为液体界面处单位长度的收缩力。根据Wilhelmy板法原理，在80°C下使用芬兰Kibron Delta-8界面张力仪测量不同NaCl质量浓度下不同AEnS在石油醚-水界面的界面张力。表面张力γ根据公式（4）计算：



其中F为仪器测量的垂直作用于铂金板的力，p为铂金板的周长，θ为接触角。由于铂金板经过亲水处理，接触角θ≈0°，故cosθ≈1，公式简化为γ = F/p。测得的平衡油水界面张力（γ）值如表2所示。

ρ(NaCl)/(g/L) σ(AE 2  S)/(mN/m) σ(AE 5  S)/(mN/m) σ(AE 7  S)/(mN/m)
0 2.40 3.40 3.70
100 0.50 0.69 0.75
200 0.05 0.08 0.07
ρ(NaCl)/(g/L) Pixel(AE 2  S) Pixel(AE 5  S) Pixel(AE 7  S)
0 8→7→5 12→8→6 12→8→7
100 18→9→8 15→9→7 14→9→6
200 11→9→8 10→9→6 12→10→8


在无NaCl条件下，界面张力达到10⁻¹数量级，表明较高的界面张力对应更优的泡沫性能。这种差异可归因于基于界面张力评估泡沫性能时需要考虑特定环境。此外，讨论应考虑特定范围内的界面张力。


在100 g/L和200 g/L NaCl存在下，界面张力分别达到10⁻¹和10⁻²数量级，后者非常接近超低界面张力。油水界面张力随EO加成数的减少而降低，特别是在NaCl存在时。这可能归因于亲水基团体积、分子面积和分子堆积的增加。


总体而言，界面张力随表面活性剂溶液中NaCl含量的增加而迅速降低。这是因为AEnS是阴离子表面活性剂，Na⁺能够中和此类表面活性剂分子的负电荷，从而减少它们之间的静电排斥。这使得它们更容易在界面处被吸附并更紧密地排列，进而更有效地降低界面张力。由于AEnS分子结构中的EO不带电荷，该部分结构之间的相互作用主要通过范德华力和氢键而非电荷相互作用。因此，Na⁺的加入对该部分结构的影响相对较小。


2.3 液膜厚度


液膜是泡沫中气泡之间的薄液层，影响泡沫的机械强度和液体保持能力。在使用泡沫仪测量泡沫的同时，使用CCD相机在每个样品的相同时间间隔（从固定时间开始）捕捉并记录泡沫形态。使用该相机，单位像素横向长度为3.45 μm，使用CSA软件测量泡沫的液膜厚度，像素数反映液膜厚度。

图6 不同氯化钠质量浓度下AEnS的液膜照片：I-(a)无氯化钠时的AE2S，I-(b)无氯化钠时的AE5S，I-(c)无氯化钠时的AE7S； Ⅱ -(a)100 g/L氯化钠条件下AE2S， Ⅱ -(b)100 g/L氯化钠条件下AE5S， Ⅱ -(c)100 g/L氯化钠条件下AE7S； Ⅲ -(a)200 g/L氯化钠条件下AE2S， Ⅲ -(b)200 g/L氯化钠条件下AE5S， Ⅲ -(c)200 g/L氯化钠条件下AE7S。

液膜厚度对携液性能和泡沫半衰期有直接影响。较小的孔隙和较厚的液膜通常携带更多液体并具有更大的保持能力。较厚的液膜还能有效防止液体流失，从而保持较高的携液率。较厚的液膜通常具有更高的机械强度和抗破裂能力，能更好地承受振动、剪切等外部扰动，有助于延长泡沫半衰期。较厚的液膜可以降低泡沫液体的向下排放速率，从而延长泡沫寿命。它还能更有效地防止气体分子通过液膜的渗透和扩散，减少气泡的合并和破裂。如图6和表3所示，实验结果也证实了这一点。

p(NaCl)/(g/L) Unloading efficiency/%
AE2S AE5S AE7S
100 87 88 90
200 84 82 76