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应用 | 松香基表面活性剂凝胶泡沫体系的研究

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概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

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KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡,是表面科学仪器领域的全 球领导品牌。先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪,荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最 具创新能力TOP100荣誉。其它产品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。


研究背景

松香是一种重要的林业资源,具有可再生、可生物降解等优点。小分子水凝胶在生命科学领域有广泛的用途,因此以天然产物为主要原料进行设计合成有助于构筑更加环境友好型小分子水凝胶体系。松香树脂酸含有三环二萜结构刚性疏水基团结构,因此可以作为小分子凝胶剂分子中的刚性结构的来源。

泡沫是气体被液膜包裹形成的非均相的复杂流体分散体系,属于热力学不稳定体系,泡沫的主要性质包括发泡性和稳泡性两个方面。近年来,通过改变液膜中聚集体的微观结构而制备的智能响应型泡沫体系也已受到广泛关注。本文用松香基氧化胺表面活性剂(R-6-AO)制备凝胶泡沫,并借助于动态泡沫分析仪、低温透射电子显微镜等仪器设备考察泡沫的性能和微结构,研究分析凝胶泡沫的起泡性、半衰期和泡沫含水量等性能参数的影响,揭示新型分子聚集体在稳定泡沫和优化泡沫性能方面的作用。


实验方法

将浓度为 6 mmol/L的 R-6-AO 泡沫样品在25 °C稳定5h后,通过低温透射电子显微镜(Cryo-TEM)观察泡沫中连续相的微观结构,用克吕士动态泡沫分析仪(DFA100FSM)观察泡沫的结构和气泡尺寸分布(图1)。选择动态泡沫分析仪中的泡沫结构模块,获得具有完 美清晰度的实时泡沫图像。在整个实验过程中,温度保持在25℃,观察0-3600s期间的泡沫形态。


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图1. 克吕士DFA100动态泡沫分析仪


结果与讨论

泡沫微观结构


用Cryo-TEM获得的6 mmol/L R-6-AO泡沫样品(25摄氏度下稳定5h后)的微观结构如图2所示。图中可以清楚地观察到,连续相中存在着横截面直径为10 nm左右、长度大于2μm的纤维结构。这些纤维独立存在,没有发生堆叠。该特征与在液膜中形成的高度分散和缠绕的R-6-AO纳米纤维导致的液膜凝胶化有关。液膜中纤维的密度随R-6-AO浓度的增加而增加,而这些纳米纤维有效地固定了水分子,显著降低了液膜的排液速率,维持了泡沫的超长寿命。


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图2. 6 mmol/L R-6-AO稳定的泡沫样品的

Cryo-TEM图

泡沫结构和尺寸

利用动态泡沫分析仪(DFA100FSM)可以进一步观察和分析不同初始温度下制备的 R-6-AO 泡沫的性能差异。利用这种泡沫分析仪中的泡沫结构分析模块(FSM),通过一个显微成像相机和几个特殊棱镜,可以观察泡沫的结构,再通过软件分析和仪器配备的标定网格,可以测量出气泡的绝 对尺寸。

通过鼓气方式制备泡沫(通气时间15 s,通气流量0.5 L/min),固定R-6-AO溶液的浓度为10 mmol/L,同时选取浓度为10 mmol/L的SDS溶液泡沫作为对比。图3为25 °C下泡沫静置1h后,用动态泡沫分析仪观察到的R-6-AO泡沫和SDS泡沫的显微照片。图中的彩色部分为气泡,黑色部分为液膜中的水。可见R-6-AO 泡沫中的气泡尺寸明显小于SDS气泡的尺寸。图4给出了仪器测得的10 mmol/L R-6-AO和10 mmol/L SDS稳定的泡沫中的气泡面积分布,可见平均气泡面积随着初始温度的降低而减小,表明制备泡沫温度越接近凝胶的相转变温度,越有利于液膜中纤维的生长和缠绕,从而形成更小的气泡,泡沫含水量也更高,泡沫更稳定。另一方面,SDS泡沫的平均气泡面积为793,600 µm2 ,约为40 °C 下制备的R-6-AO泡沫的26倍。这也进一步证实,就初始发泡能力而言,R-6-AO不如SDS,但R-6-AO泡沫具有优良的稳定性,其气泡的长寿命是由泡沫液膜中形成的聚集体所致。通过调节液膜中聚集体的微观结构,可以有效地改变泡沫的性质。


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图3 动态泡沫分析仪观察到的泡沫显微照片,(a-c)10 mmol/L R-6-AO 稳定的泡沫,(d)10 mmol/L SDS稳定的泡沫。鼓泡15 s(流量0.5 L/min)后于25 °C下放置1h后拍摄。制备泡沫时的初始温度:(a)40 °C、(b)45 °C、(c)50 °C、(d)25 °C


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图4. 根据图3泡沫显微照片计算的10 mmol/L R-6-AO(a-c)和10 mmol/L SDS(d)稳定的泡沫体系中气泡的面积分布图和平均气泡面积(e),泡沫的初始制备温度为(a)40 °C,(b)45 °C,(c)50 °C 和(d)25 °C


结论

以R-6-AO为稳定剂,在高于 T gel-sol 温度下(50℃)制备泡沫,再冷却到室温,可以得到一种高含水量、高稳定性的凝胶泡沫。R-6-AO在水相中自组装形成的微观聚集结构具有超高的保水能力,从而使泡沫具有高的稳定性。



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