硬脂酸肥皂的可控CO2发泡及其乳化性能外文翻译资料

 2022-01-05 21:59:46

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硬脂酸肥皂的可控CO2发泡及其乳化性能

摘要：脂肪酸，作为一种典型的硬脂酸，是一种廉价的表面活性剂，有着很重要的应用。工业应用的挑战问题是它的溶解性。因此，三种有机胺类：乙醇胺，二乙醇胺，三乙醇胺被用作反离子来增加硬脂酸的溶解性 ，其相行为已经被系统的研究了。这个相图温度分别设定为25和50°。相变温度通过DSC测试，微观结构通过电镜下观察室囊泡和二维片状，表面黏度通过流变特性测得。这三个系统的临界胶束浓度是低于30mN/m。双分子层样品被用作起泡剂和乳化剂来进行发泡和乳化实验。

引言：作为最古老的洗涤剂，脂肪酸肥皂经常在工业和日常生活中被应用。虽然他们在脂肪酸肥皂中有很长的应用历史，但是在这种溶液中的微观结构自1973年发现以来一直被研究中。自那以后，这种脂肪酸的两层结构的形成机理一直有所争论。在探索了几十年后，人们发现了在这种质子酸的氢键，去质子化的分子被认为在形成双分子层膜扮演了很重要的角色。氢键很容易在脂肪酸的pH环境下形成，其中质子化分子和去质子化分子的比例为1:1。在我们先前的研究，脂肪酸双分子层通过引入Cs 在很高的pH下发现，这使得脂肪酸双分子层有比较宽的pH应用范围。另一方面，泡沫的形成和变形在工业应用和日常生活中有很重要的的作用。因此，刺激响应性泡沫吸引了越来越多的人的注意。乳化作用和反乳化作用的研究都具有价值。例如，乳化作用在原油的管道运输具有很重要的作用，当原油到达目的地，原油需要反乳化作用来进行分离。据文献报道，CO2用来控制转变过程。使用脂肪酸的主要问题是它在水性溶液中不溶解。像NaOH和KOH能在高温下溶解脂肪酸并且Krafft点很高。有机反离子能解决这个问题。在有机和无机反离子之间的比较已经在先前的文献中研究，我们发现有机反离子能降低脂肪酸的Krafft点。因此，用有机反离子脂肪酸发泡体系比无机的优点在于能应用在室温下。相行为和微观结构的调查对于进一步脂肪酸发泡体系的应用是一个平台。据报道脂肪酸双分子层展现出杰出的发泡和乳化性能。泡沫通过气体分散到液体中形成，然后这广泛应用于食物，洗涤剂和油的回收。然而，这是一个热力学亚稳定体系，随着时间推移而分离。脂肪酸发泡体系的表面密度紧凑有效避免气体的扩散，力学强度增加了泡沫的稳定性。因此，三种有机碱被用于研究硬脂肪酸的相行为和作为乳化剂的发泡客体的应用。EA，DEA,TEA是很便宜的有机溶剂，它们能通过与表面活性剂的羧基分子形成氢键来减少结构的改变。如图1所示：EA，DEA，都具有O-H和N-H键，然而只有TEA的O-H键能引起多种形态。这三个体系的相行为通过在25°和50°下DSC测试已经被系统的研究，这些试样的微观结构和表观粘度可以通过TEM和流变特性来测得。普通的试样的发泡和乳化性能已经被研究，通过引入CO2来控制反发泡和反乳化过程。考虑到CO2的杰出的消泡沫和反乳化性能，我们希望我们的研究能够对脂肪酸的自组装和应用做出贡献。

  1. 实验步骤

2.1 化学试剂盒材料

硬脂肪酸（SA），乙醇胺(EA)，三乙醇胺（TEA)。

2.2相行为.

SA/EA/H2O,SA/DEA/H2O,SA/TEA/H2O体系在25°和50°下绘画出相图。这个样品是在圆管中制得的。不同的SA量加入到管子中。通过分别加入（200mmol/L的EA，DEA,TEA）的水性溶液加入这些管子中，每种溶液都是5ml。SA的浓度范围在10-100mmol/L之间，有机胺的浓度在0-200mmol/L。在50°超声环境下溶解成均匀的溶液，相图通过正交偏光镜下建立。所有的样品都至少保存了1个月才能观测相图。

2.3 冷冻电子显微镜观测。

在超过90%的湿度环境下，样品（约4ul）滴加到网格中。过量的样品用吸墨纸来处理，形成一层薄膜然后这个网格扎进用液氮冷却的液态乙烷中，玻璃化样品转移到样品架中，在JEOL JEM-1400TEM 下观测。

2.4 流变学表征：

流变实验是在HAAKE RheoStress 6000带有共轴圆柱的传感系统。在震动测试中，振幅扫描固定在1Hz为了确保被选择压力在线性黏弹性。

2.5 DSC测试

相变温度和链开始运动的温度通过DSC-O10测试，测试幅度在25°到50°以10°/min

2.6电导率和pH测试

导电率的测试在DDSJ-308A（中国）用DJS-QC玻璃电极在25和50°下测试。pH值通过PHS-3C用E-201-C玻璃电极在25和50度下测试。这两相的样品都是在搅拌下执行的。

2.7 表面张力测试

表面张力测试是在KRUSS K100表面张力计使用平板法测得。这个温度控制在25°。所有的表面张力都是在搅拌和平衡后测得并且至少重复两次以减少误差

2.8 发泡和消除泡沫

这个发泡性能和它们的稳定性通过HT FOAMSCAN装置设置。原始样品体积为60ml，通过多孔薄膜以75mL/min鼓入N2或CO2气体发泡。当泡沫到达某一体积后停止鼓入气体，然后分析泡沫的稳定性。

2.9 乳化和反乳化。

乳胶用不同的油与水的比例（1:9-9:1）制备。油相是正十六烷。SA首先溶解在正十六烷中然后与有机胺水溶液混合。根据r(o/w）值的不同，选用不同的方法来合成乳胶。对于比值在1:9-8:2之间，在50°下超声并在25°旋涡式混合。对于比值在9:1时，仅需要在25°下旋涡式混合，通过以速率0.15L/min鼓入CO2到乳胶中实现反乳化作用

  1. 结果和讨论

3.1相行为

相行为：这三个体系的相行为在25°和50度下已经被研究。相图如图1所示。SA在25和50°下不溶于水。当添加了有机胺后，开始逐渐溶解在水中形成了湛蓝溶液和沉淀。加入更多的有机胺，可以彻底的溶解SA，溶液呈现出均匀的湛蓝形态，在TEM图像下使双分子层结构。然而，随着加入更多的有机胺后，这三个体系开始产生不同处在25°，对于SA/TEA/H2O体系，无变化但SA/EA/H2O和SA/DEA/H2O都出现了其他的均相，溶液呈现出纹理状有着更高的黏度。在50度时，在Lalpha;相后，与25度的相图行为一致，然而对于另外两个体系Lalpha;

和L1相分离。当加入更多的有机胺后，在SA/EA/H2O和SA/DEA/H2O体系会出现透明的胶质层而SA/TEA/H2O体系没有任何变化。据报道，硬脂酸肥皂的Krafft点高于室温，这大大的限制了它们的应用。因此，在这三个体系中，大面积区域在Lalpha;和Lalpha;rsquo;相，这暗示着Krafft是低于室温的。

典型的混合EA,DEA,TEA的硬脂酸溶液的形貌如图2所示。我们可以清晰的看到在25和50度的稳定溶液。在25度时，所有的样品都是湛蓝色溶液，在偏振镜下发生双折射。在50度下，在SA/TEA/H2O中没有任何明显的变化。然而，当c(EA,DEA) gt; c(SA)，溶液开始变成清晰的胶束然后 双折射在50度消失。

温度的作用通过DSC表征来研究。如图3所示，可以清晰的看出这三个体系的不同处。对于SA/TEA/H2O没有明显的变化，但对于SA/EA/H2O和SA/DEA/H2O，当碱性浓度高于SA时，出现了一段宽峰，这暗示着溶液的相变。这与视觉观测是一致的。从图3a，b可以看出，随着胺的加入，相变温度在降低。

3.2 微观结构和形成机理

TEM是一个正确的方法来特侧溶液的微观结构。通过快速冷却过程，微观结构的形貌可以固定下来。典型的样品如图4所示.Lalpha;相中存在着囊状和二维片状，而在Lalpha;1中只有二维片状。根据堆积参数理论，表面活性剂溶液的微观结构可以被估计出，p = v/al, v = 0.0274 0.0269n (nm3), l =0.154 0.1265n (nm),v和l是指疏水链的体积和长度，相对的，a是平均头基面积，n是表面活性剂的链长度。在这次实验中，脂肪酸是硬脂酸，所以v和l值已知。a值受极化头基之间的距离的变化而变化，可以通过分子之间的弱的相互作用力来调控。在我们先前SA/CsOH/H2O体系的研究中，这种弱的相互作用力来形成双分子层的机理已经被提出，包括静电力，氢键和疏水力作用。氢键在形成这种双分子扮演着重要的作用。形成双分子层溶液的PH值与脂肪酸的pKa非常接近，脂肪酸的数量几乎一样，氢键很容易在它们之间形成。据报道SA的pKa大约是10.0.从图S1中可以得到，这三个体系的pH范围都在10.0左右或低于10.0，说明质子化和去质子化的脂肪酸的共存还有氢键的存在。在这次实验中，反离子从Cs 到有机胺离子之间不断变化，反离子的半径逐渐变大。作为结果，空间位阻的增加导致了静电屏蔽效应的减小。因此，随着表面活性剂之间的距离减小，导致a的增加和p的减小。根据这篇文献的报道，随着p的增加，聚合体不断变化：从球形胶束，蠕虫状胶束，囊泡 ，二维片状到平面薄板。在我们之前的研究中，SA/CsOH/H2O体系中只有二维片状被观测到。因此，随着p的减小引起二维片状变化到囊泡和二维片状的共存。然而，随着有机胺的增加，在Lalpha;1相只有二维片状存在。我们认为这是由于在有机胺分子和脂肪酸分子之间的氢键导致的。EA和DEA都拥有O-H和N-H键，然而TEA只有O-H键。氢键可以在N-H键和去质子化脂肪酸的脂基之间形成。这些氢键进一步的减小了分子间的距离，导致a的减小和p的增加。结果是：当过量的EA和DEA存在时，只有二维片状可以被观测到。然而，由于TEA分子间没有N-H键的存在导致在SA/TEA/H2O的体系中不会观测到这种变化。

3.3.流变特性

流变特性可以通过探测溶液的黏度的变化来测得。如图5所示，三个体系在25度和50度下的稳定的剪切流变图。在25度所有样品的表观黏度都随着剪切速率的增加而减小。剪切变稀现象暗示着双分子层的破坏。总的来说，Lalpha;rsquo;样品的表观黏度比Lalpha;相的要高。然而，在50度下，大部分样品展示着和25度相同的性能，而SA/EA/H2O体系和SA/DEA/H2O体系中加入更多的胺，表观黏度与剪切速率无关，这是一种典型的牛顿流体。这种变化说明这从黏弹性的双分子层溶液到低粘度的胶束溶液。从以上分析可得，我们可以推断出在SA/TEA/H2O的体系中没有相的变化。然而，其他两个体系应该被划分为两种情况：当c(EA,DEA) lt; c(SA)，这与SA/TEA/H2O体系相同，当c(EA,DEA) gt; c(SA)随着温度的增加双分子结构变化为胶束。

3.4电导率的测定

导电性也能评估微观结构。在25度时，随着碱质的增加，所有的电导率值在最初时都增加了。之后，在这三个体系中发生了一些不同：对于SA/TEA/H2O体系，随着碱质的增加，电导率增加逐渐到整个浓度范围最后到达一个平台。对于SA/EA/H2O和SA/DEA/H2O体系，当达到最大值，电导率迅速下降然后趋平。据我们所知，SA很难溶解在水中，电导率趋于0。随着加入碱质，部分SA去质子化然后溶于水中形成S-。因此，当加入碱质后，电导率如SA/TEA/H2O体系显示会增加。然而，加入过量碱质会导致样品的黏度的增加。根据图6a的电导率的变化，我们可以想象出在这些溶液中的微观结构会纳入更多的离子并减少电导率。换句话说，过量的离子参与了微观结构的形成。在50度时，这些溶液开始变成澄清的胶束相，过量的离子被释放到水相，电导率开始上升到一个高的水平（如图6b）。在SA/TEA

/H2O体系中，没有相的变化发生，因此电导率增加仅仅因为是温度的作用。

3.5 表面张力 有机胺（EA,DEA,TEA）能与水以任意比例混合，它们的水性溶液的表面张力与水相近，这说明邮件没有表面活性。在SA/EA/H2O,SA/DEA/H2O,SA/TEA/H2O体系的三个样品中，准备相同的浓度来探究有机胺对SA表面活性的作用。SA很难溶于水，它的表面张力不能之间被测出。通过加入有机胺，SA分子去质子化形成硫离子，增加了溶解性。如图7所示，表面张力随着样品的加入大大的降低，这是由于SA长的疏水链。对比这三个样品，连临界胶束浓度也没有明显不同。也就是说，不同的有机胺对应的SA的表面活性是相同的。

3.6.发泡性能

据报道双分子层样品具有比胶束样品更好的发泡稳定性。因此，在这三个体系中典型的Lalpha;样品被选择评估发泡性能和它们的稳定性。如图8所示，使用N2发泡，发泡体积为200ml，发泡时间为110s。在N2流停止后，发泡体积缓慢减小。然而，在减小到160ml后，直至10000sSA/EA/H2O,SA/DEA/H2O发泡体积维持基本不变，而SA/TEA/H2O体系中8500s时到达减小到100ml。我们选择的这些样品都是位于Lalpha;相，临近相界区。因此，通过加入小量的酸可以分离出沉淀并且样品会失去表面活性。因此，CO2 可以被作为一种方式来引起相变和去离子化过程。虽然CO2发泡过程与N2的相似，但是由于较弱的发泡性能将发泡体积规定在100ml和80ml。可以观测到在所有样品

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资料编号：[2103]

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