KRüSS于1796年誕生于德國漢堡，是表面科學(xué)儀器領(lǐng)域的全 球領(lǐng)導(dǎo)品牌。先后研發(fā)了世界上第 一臺(tái)商用全自動(dòng)表面張力儀和第 一臺(tái)全自動(dòng)接觸角測量儀，榮獲多次國際工業(yè)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)和德國中小企業(yè)Z 具創(chuàng)新能力TOP100榮譽(yù)。其它產(chǎn)品還包括各類動(dòng)態(tài)表面張力儀、泡沫分析儀、界面流變儀和墨滴形狀分析儀等。

研究背景

松香是一種重要的林業(yè)資源，具有可再生、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。小分子水凝膠在生命科學(xué)領(lǐng)域有廣泛的用途，因此以天然產(chǎn)物為主要原料進(jìn)行設(shè)計(jì)合成有助于構(gòu)筑更加環(huán)境友好型小分子水凝膠體系。松香樹脂酸含有三環(huán)二萜結(jié)構(gòu)剛性疏水基團(tuán)結(jié)構(gòu)，因此可以作為小分子凝膠劑分子中的剛性結(jié)構(gòu)的來源。

泡沫是氣體被液膜包裹形成的非均相的復(fù)雜流體分散體系，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，泡沫的主要性質(zhì)包括發(fā)泡性和穩(wěn)泡性兩個(gè)方面。近年來，通過改變液膜中聚集體的微觀結(jié)構(gòu)而制備的智能響應(yīng)型泡沫體系也已受到廣泛關(guān)注。本文用松香基氧化胺表面活性劑（R-6-AO）制備凝膠泡沫，并借助于動(dòng)態(tài)泡沫分析儀、低溫透射電子顯微鏡等儀器設(shè)備考察泡沫的性能和微結(jié)構(gòu)，研究分析凝膠泡沫的起泡性、半衰期和泡沫含水量等性能參數(shù)的影響，揭示新型分子聚集體在穩(wěn)定泡沫和優(yōu)化泡沫性能方面的作用。

實(shí)驗(yàn)方法

將濃度為 6 mmol/L的 R-6-AO 泡沫樣品在25 °C穩(wěn)定5h后，通過低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）觀察泡沫中連續(xù)相的微觀結(jié)構(gòu)，用克呂士動(dòng)態(tài)泡沫分析儀（DFA100FSM）觀察泡沫的結(jié)構(gòu)和氣泡尺寸分布（圖1）。選擇動(dòng)態(tài)泡沫分析儀中的泡沫結(jié)構(gòu)模塊，獲得具有完 美清晰度的實(shí)時(shí)泡沫圖像。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，溫度保持在25℃，觀察0-3600s期間的泡沫形態(tài)。

圖1. 克呂士DFA100動(dòng)態(tài)泡沫分析儀

結(jié)果與討論

泡沫微觀結(jié)構(gòu)

用Cryo-TEM獲得的6 mmol/L R-6-AO泡沫樣品（25攝氏度下穩(wěn)定5h后）的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中可以清楚地觀察到，連續(xù)相中存在著橫截面直徑為10 nm左右、長度大于2μm的纖維結(jié)構(gòu)。這些纖維獨(dú)立存在，沒有發(fā)生堆疊。該特征與在液膜中形成的高度分散和纏繞的R-6-AO納米纖維導(dǎo)致的液膜凝膠化有關(guān)。液膜中纖維的密度隨R-6-AO濃度的增加而增加，而這些納米纖維有效地固定了水分子，顯著降低了液膜的排液速率，維持了泡沫的超長壽命。

圖2. 6 mmol/L R-6-AO穩(wěn)定的泡沫樣品的

Cryo-TEM圖

泡沫結(jié)構(gòu)和尺寸

利用動(dòng)態(tài)泡沫分析儀（DFA100FSM）可以進(jìn)一步觀察和分析不同初始溫度下制備的 R-6-AO 泡沫的性能差異。利用這種泡沫分析儀中的泡沫結(jié)構(gòu)分析模塊（FSM），通過一個(gè)顯微成像相機(jī)和幾個(gè)特殊棱鏡，可以觀察泡沫的結(jié)構(gòu)，再通過軟件分析和儀器配備的標(biāo)定網(wǎng)格，可以測量出氣泡的絕 對(duì)尺寸。

通過鼓氣方式制備泡沫（通氣時(shí)間15 s，通氣流量0.5 L/min），固定R-6-AO溶液的濃度為10 mmol/L，同時(shí)選取濃度為10 mmol/L的SDS溶液泡沫作為對(duì)比。圖3為25 °C下泡沫靜置1h后，用動(dòng)態(tài)泡沫分析儀觀察到的R-6-AO泡沫和SDS泡沫的顯微照片。圖中的彩色部分為氣泡，黑色部分為液膜中的水?？梢奟-6-AO 泡沫中的氣泡尺寸明顯小于SDS氣泡的尺寸。圖4給出了儀器測得的10 mmol/L R-6-AO和10 mmol/L SDS穩(wěn)定的泡沫中的氣泡面積分布，可見平均氣泡面積隨著初始溫度的降低而減小，表明制備泡沫溫度越接近凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度，越有利于液膜中纖維的生長和纏繞，從而形成更小的氣泡，泡沫含水量也更高，泡沫更穩(wěn)定。另一方面，SDS泡沫的平均氣泡面積為793,600 μm2 ，約為40 °C 下制備的R-6-AO泡沫的26倍。這也進(jìn)一步證實(shí)，就初始發(fā)泡能力而言，R-6-AO不如SDS，但R-6-AO泡沫具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，其氣泡的長壽命是由泡沫液膜中形成的聚集體所致。通過調(diào)節(jié)液膜中聚集體的微觀結(jié)構(gòu)，可以有效地改變泡沫的性質(zhì)。

圖3 動(dòng)態(tài)泡沫分析儀觀察到的泡沫顯微照片，（a-c）10 mmol/L R-6-AO 穩(wěn)定的泡沫，（d）10 mmol/L SDS穩(wěn)定的泡沫。鼓泡15 s（流量0.5 L/min）后于25 °C下放置1h后拍攝。制備泡沫時(shí)的初始溫度：（a）40 °C、（b）45 °C、（c）50 °C、（d）25 °C

圖4. 根據(jù)圖3泡沫顯微照片計(jì)算的10 mmol/L R-6-AO（a-c）和10 mmol/L SDS（d）穩(wěn)定的泡沫體系中氣泡的面積分布圖和平均氣泡面積（e），泡沫的初始制備溫度為（a）40 °C，（b）45 °C，（c）50 °C 和（d）25 °C

結(jié)論

以R-6-AO為穩(wěn)定劑，在高于 T gel-sol 溫度下（50℃）制備泡沫，再冷卻到室溫，可以得到一種高含水量、高穩(wěn)定性的凝膠泡沫。R-6-AO在水相中自組裝形成的微觀聚集結(jié)構(gòu)具有超高的保水能力，從而使泡沫具有高的穩(wěn)定性。