CN103613305A - 天然茶皂素发泡剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然茶皂素发泡剂，其特征在于所述天然茶皂素发泡剂以其组分占发泡剂总质量的百分比计为：茶皂素50%-70%；防腐剂0.01%-2%；表面活性剂1%-20%；稳泡剂5-20%；其余为水。该发泡剂不易变质，起泡性能稳定可靠，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

天然茶皂素发泡剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种天然茶皂素发泡剂及其制备方法。

背景技术

在建筑中墙体材料用量居所有建筑材料之首，达到70%，也是消耗原料、能源的一类重要制品。随着我国墙体材料改革与建筑节能政策的推行，节能型建筑材料的开发和应用受到广泛的重视，国内大力发展节能、轻体、隔热等新型材料。泡沫混凝土作为一种重要的新型材料急需研究、开发和利用。

生产泡沫混凝土的关键技术是发泡剂，只有好的发泡剂才能生产出符合规定的产品。发泡剂要求产生的泡沫要细小均匀，稳定时间长，在加入到混凝土时不至于大规模的破裂，在混凝土凝结后可形成均匀的封闭气孔。所以在生产泡沫混凝土时，对发泡剂要求很高。

所谓发泡剂就是使对象物质成孔的物质，它可分为化学发泡剂和物理发泡剂和表面活性剂三大类。化学发泡剂是那些经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在聚合物组成中形成细孔的化合物；物理发泡剂就是泡沫细孔是通过某一种物质的物理形态的变化，即通过压缩气体的膨胀、液体的挥发或固体的溶解而形成的；发泡剂均具有较高的表面活性，能有效降低液体的表面张力，并在液膜表面双电子层排列而包围空气，形成气泡，再由单个气泡组成泡沫。

稳泡剂是可以延长泡沫破灭半衰期的物质，可以用于混凝土、菱镁、石膏、脲醛树脂等建材，以减轻建材重量，达到隔热保温的效果。其种类主要有大分子物质、硅树脂聚醚乳液类和表面活性剂类。但是单一的稳泡剂也会造成发泡力弱和稳定性差的问题。

茶皂素是从茶籽饼中提取的一种用途广泛、性能优异的天然非离子表面活性剂，能够显著地降低液体表面张力，具有很好的乳化、润湿、去污、起泡、稳泡等性能。起泡性几乎不受水质硬度的影响，pH值在4～10的范围内发泡效果好且泡沫持久稳定，具有较好的润湿性。茶皂素水溶液振荡后产生的泡沫呈蜂窝状，低浓度的茶皂素水溶液振荡后就能产生大量泡沫，且泡沫可以保持很长时间不消退。

茶皂素又名茶皂甙，是由茶树种子中提取出来的一类醣甙化合物，一类五环三萜类化合物，主要结构由配基、糖体、有机酸组成，属于三萜类皂角甙，具有苦辛辣味，刺激鼻腔粘膜引起喷嚏，纯品为白色微细柱状晶体，吸湿性强，对甲基红呈酸性，难溶于无水甲醇、乙醇，不溶于乙醚、丙酮、苯、石油醚等有机溶剂，易溶于含水甲醇、含水乙醇、以及冰醋酸、醋酐、吡啶等。茶皂甙溶液中加入盐酸，酸性时，皂甙就沉淀。熔点：224℃。天然的茶皂素是无色的微细柱状晶体，具有吸湿性，味苦辛辣，同时具有刺激鼻粘膜的特性。

茶皂素溶液是天然提取的发泡剂，环境友好，但由于其中含有其他一些营养物质，如不饱和脂肪酸等，因此在常温条件下放置一段时间后，黑曲霉菌等微生物滋生繁衍，导致茶皂素降解，影响其起泡稳定性能。现市场上有大量混凝土发泡剂是以茶皂素为主原料的，但是容易变质，起泡性能不稳定。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种天然茶皂素发泡剂，解决了现有技术中茶皂素直接作为混凝土发泡剂起泡稳定性差，茶皂素容易变质降解导致影响其起泡稳定性能等问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种茶皂素发泡剂，其特征在于所述茶皂素发泡剂包括：

茶皂素；

防腐剂；

表面活性剂；

稳泡剂。

优选的，所述防腐剂选自山梨酸钾、尼泊金丁酯、尼泊金甲酯、尼泊金乙酯、尼泊金丙酯、苯甲酸钠、双乙酸钠、丙酸钙、乳酸钠的一种或者两种以上的任意组合。

优选的，所述表面活性剂选自硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸型表面活性剂、甜菜碱型表面活性剂、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯的一种或者两种以上的任意组合。

优选的，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、季铵化物的一种或者两种以上的任意组合。

优选的，所述稳泡剂选自聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、蛋白、多肽、淀粉、纤维素、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、脂肪醇类和脂肪酸类的一种或者两种以上的任意组合。适合用于本发明的优选的稳泡剂采用脂肪醇。适合用于本发明的最优选的稳泡剂为丁醇。

优选的，所述茶皂素发泡剂以其组分占发泡剂总质量的百分比计为：

茶皂素50%-70%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-20%；

稳泡剂5-20%；

其余为水。

优选的，所述茶皂素发泡剂以其组分的重量百分比计为：

茶皂素50%-70%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-10%；

稳泡剂5-20%；

其余为水。

优选的，所述茶皂素发泡剂以其组分的重量百分比计为：

茶皂素50%-60%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-10%；

稳泡剂5-10%；

其余为水。

本发明的另一目的在于提供一种所述的茶皂素发泡剂的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

按照预定比例配制成茶皂素水溶液后，依次加入防腐剂、表面活性剂和其他助剂进行混匀即可。

本发明的又一目的在于提供一种所述的茶皂素发泡剂作为泡沫混凝土用复合型发泡剂方面的应用。

本发明技术方案中茶皂素作为主要的发泡剂成分，茶皂素又名茶皂甙，是由茶树种子中提取出来的一类醣甙化合物，茶皂甙属于三萜类皂角甙，具有苦辛辣味，刺激鼻腔粘膜引起喷嚏，纯品为白色微细柱状晶体，吸湿性强，对甲基红呈酸性，难溶于无水甲醇、乙醇，不溶于乙醚、丙酮、苯、石油醚等有机溶剂，易溶于含水甲醇、含水乙醇、以及冰醋酸、醋酐、吡啶等。茶皂甙溶液中加入盐酸，酸性时，皂甙就沉淀。熔点：224℃。

本发明技术方案中表面活性剂作为另一种起发泡作用的发泡剂成分。表面活性剂与茶皂素的复配能起到优异的发泡效果。表面活性剂通常指具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。适宜的表面活性剂有阴离子表面活性剂，具体的实例如硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠（Sodium dodecyl sulfate，SDS）；阳离子表面活性剂，具体的实例如季铵化物；两性离子表面活性剂，具体的实例如卵磷脂，氨基酸型，甜菜碱型；非离子表面活性剂，具体的实例如脂肪酸甘油酯，脂肪酸山梨坦（司盘），聚山梨酯（吐温）。

优选的技术方案中，季铵盐型表面活性剂按结构区分，主要有以下几类：(1)烷基三甲基铵盐型。由高级脂肪酸经过生成腈进一步制成长链胺，再与氯甲烷和硫酸二甲酯反应而成。也可由邻磺酰苯酰亚胺和甲苯磺酸反应而成。主要用作消毒洗净剂、聚苯乙烯等外涂用抗静电剂、纤维用抗静电剂、均染剂、破乳剂及分散剂等。(2)二烷基二甲基铵盐型。由二烷基胺或二烷基甲基胺与氯甲烷在碱性介质中进行加压加热反应而成。主要作家庭用纤维织品柔软剂等。(3)烷基二甲基苄基铵型。由烷基二甲基胺和氯甲基苯反应而成。主要用作杀菌消毒剂。(4)吡啶鎓盐型。由特殊构型的吡啶叔胺与卤甲烷反应而成。鲸蜡基氯吡啶鎓盐可用作阴离子表面活性剂定量试剂；苯甲基氯吡啶鎓盐可用作纤维均染剂。(5)烷基异喹啉鎓盐型。主要用作杀菌剂，常与洗衣粉等配合使用。(6)氯苄铵鎓盐型。主要用作杀菌剂。

本发明技术方案中防腐剂选自苯甲酸及其盐类、山梨酸及其盐类、脱氢乙酸及钠盐类、尼泊金酯类（即对羟基苯甲酸酯类）、双乙酸钠、丙酸钙、乳酸钠的一种或者两种以上的任意组合。更为优选的是山梨酸钾、对羟基苯甲酸甲酯、对羟基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸丁酯、乳酸钠、脱氢醋酸钠的一种或者两种以上的任意组合。

本发明技术方案中稳泡剂能够提高气泡稳定性，延长泡沫破灭半衰期。稳泡剂选自大分子物质，具体的实例如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、蛋白、多肽、淀粉、纤维素等；硅树脂聚醚乳液类(MPS)；非离子表面活性剂，具体的实例如十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺；脂肪醇和脂肪酸类。本发明优选的稳泡剂为脂肪醇和月桂酰二乙醇胺。脂肪醇可以是低级脂肪醇或者高级脂肪醇。脂肪醇为具有一定长度的（如1个以上）碳原子链的脂肪族的链烃醇类。脂肪醇通常具有偶数的碳原子和一个连接于碳链末端的羟基。通式为ROH。如正丁醇、仲丁醇、十二醇等。

本发明技术方案以茶皂素作为发泡剂的主原料，添加防腐剂来保证主原料茶皂素的不降解，添加表面活性剂和助剂来增加和稳定其起泡性能。其中天然茶皂素发泡剂的配方组成为：茶皂素：50%-80%；防腐剂：0.02-3%（尼泊金酯、山梨酸钾等）；表面活性剂1-10%（季铵盐、十二烷基硫酸钠（Sodiumdodecyl sulfate，SDS）等）；稳泡剂（脂肪醇）5-20%、其余为水。本发明还可以增加一些其他添加剂如明胶、羟乙基纤维素等。

本发明技术方案中，表面活性剂和茶皂素作为主要发泡溶液。液体表面张力的大小直接影响气泡的形成，表面张力越低，其气泡就越容易形成。本发明采用十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸等高活性的表面活性剂，其溶液的起泡能力强，发泡倍数大，但是表面活性剂溶液制备出的泡沫的稳定时间短，这样泡沫会在胶凝体系凝结硬化前破裂，导致泡沫混凝土塌模。而茶皂素发泡泡沫的稳定时间长，因此，两者复配可以明显改善其泡沫稳定性，同时发泡倍数也不受太大影响。

泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系，由于体系存在大量的气-液界面，属于热力学不稳定体系，所以泡沫最终还是趋于破坏的。造成泡沫破坏的主要原因有重力排液、表面张力排液和气泡内气体的扩散。泡沫稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度，增大溶液的粘度和液膜的粘弹性，可以解决泡沫因上述原因造成的自身破裂问题。本发明中采用月桂酰二乙醇胺或脂肪醇，提高液膜的粘弹性，从而改善泡沫的稳定时间。

本发明为泡沫混凝土用复合型发泡剂，该发泡剂的发泡倍数高，制备的泡沫稳定时间长，而且能改善泡沫混凝土的性能，适合用于配制低密度泡沫混凝土。

适合用于本发明的混凝土水泥包括波特兰水泥、铝酸钙水泥、基于镁的水泥、硫化铝酸钙水泥以及它们的混合物。优选的波特兰水泥为在EN197-1标准中限定的那些，更优选的水泥包括碳酸钙、硅灰、熔渣、粉煤灰、火山灰、玻璃或硅质填料或它们的混合物。这样的水泥包括波特兰水泥（CEM I）；波特兰熔渣水泥；波特兰-硅灰水泥；波特兰-火山灰水泥；波特兰-粉煤灰水泥；波特兰-石灰石水泥；和波特兰-复合水泥，优选包括碳酸钙、硅灰、熔渣、粉煤灰、火山灰、玻璃或硅质填料或它们的混合物；火山灰水泥；以及复合水泥。

本发明技术方案相对于现有技术，存在以下技术特点：

本发明获取天然茶皂素发泡剂的方法中所用原料简单廉价，制备工艺简单方便，所制得的天然茶皂素发泡剂成本低，起泡稳定，使用方便，天然环保，具有良好的经济效益和社会效益。得到的天然茶皂素发泡剂不易变质，起泡性能稳定可靠。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例1天然茶皂素发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方1）：

表1实施例1天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取65%茶皂素水溶液10g于小烧杯中，加入0.05g山梨酸钾，1g苯扎氯铵，0.8g正丁醇，混匀即可。

实施例2天然茶皂素发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方2）：

表2实施例2天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取质量百分比浓度为65%的茶皂素水溶液10g于小烧杯中，加入0.08g山梨酸钾,0.8gSDS，再加入0.8g1-丙醇，混匀即可。

实施例3天然茶皂素发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方3）：

表3实施例3天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取质量百分比浓度为65%的茶皂素水溶液10g于小烧杯中，加入0.1g尼泊金丁酯，1.2gSDS和1g1-十二烷基醇，混匀。

实施例4天然茶皂素发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方4）：

表4实施例4天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取质量百分比浓度为65%的茶皂素水溶液10g于小烧杯中，加入0.02g尼泊金丁酯，0.5g苯扎氯铵和1.6g仲丁醇，混匀。

实施例5天然茶皂素发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方5）：

表5实施例5天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取质量百分比浓度为65%的茶皂素水溶液10g于小烧杯中，加入0.02g尼泊金丁酯，混匀。

实施例6普通混凝土发泡剂的制备

本实施例采用的原料配方如下（配方6）：

表6实施例6天然茶皂素发泡剂的原料配方

具体制备步骤：

取质量百分比浓度为65%的茶皂素水溶液10g于小烧杯中，混匀。

实施例7茶皂素变质气泡性降低实验

茶皂素变质气泡性降低实验分两批次同时进行，按照如下步骤进行：

1)取0.1mL茶皂素溶液（65%）（采用实施例6所述的一般混凝土发泡剂），将0.1mL茶皂素溶液（65%）用10ml蒸馏水稀释，置于50ml量筒中，作为样品溶液密封，充分振荡后，观察到其泡沫高度位于量筒刻度的45ml处。

2)样品溶液在常温下密封保存，30天后，其液面上方出现细丝状毛绒物，溶液出现浑浊现象，说明明显有微生物生长。

3）对2）经30天保存后的样品溶液，采用与1）相同方式进行振荡后，其泡沫的高度处于量筒30ml刻度处，可知下降三分之一。

分析：茶皂素变质主要是由于茶皂素溶液富含多种营养物质，在适宜的条件下，黑曲霉菌等真菌容易生长繁殖，从而导致茶皂素降解，使其起泡性降低。

实施例8发泡剂性能测试

本实验对实施例1～6获取的含有茶皂素的发泡剂进行起泡性对比测试，采用实验室常用的搅拌法对发泡剂的半衰期、发泡体积、稳定时间等性能进行测试。

实验方法：将以实施例1～6各种配方获得的发泡剂溶液100mL放进1000mL的烧杯中，烧杯上刻有体积，在3600r/min的转速下搅拌3min进行发泡，测量泡沫体积。当发泡液析出50mL时记录的时间为半衰期，泡沫体积还剩100mL时，认为泡沫已消失，记录稳定时间。分别测试新鲜配制时、放置一个月后、三个月后及六个月后分别按照同样方法测试其发泡体积及发泡高度。表7为新鲜配制时、三个月后及六个月后的发泡数据结果。

表7新鲜配制时、三个月后及六个月后的发泡数据结果

实验数据表面，实施例1-4放置一个月后、三个月后及六个月后的发泡体积及发泡高度与新鲜制备的相比，发泡体积及发泡高度未变明显变化，说明茶皂素没有变质其性能稳定。而作为对比的现有配方（实施例6）起泡发泡性能降低明显。实施例5仅添加了防腐剂，起泡性能比实施例1-4相比较有所减弱，但比实施例6有所改善，说明防腐剂的添加有益于茶皂素起泡起泡性能的稳定。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种茶皂素发泡剂，其特征在于所述茶皂素发泡剂包括：

茶皂素；

防腐剂；

表面活性剂；

稳泡剂。

2.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述防腐剂选自山梨酸钾、尼泊金丁酯、尼泊金甲酯、尼泊金乙酯、尼泊金丙酯、苯甲酸钠、双乙酸钠、丙酸钙、乳酸钠的一种或者两种以上的任意组合。

3.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述表面活性剂选自硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、季铵化物、卵磷脂、氨基酸型表面活性剂、甜菜碱型表面活性剂、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯的一种或者两种以上的任意组合。

4.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、季铵化物的一种或者两种以上的任意组合。

5.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述稳泡剂选自聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、蛋白、多肽、淀粉、纤维素、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、脂肪醇类和脂肪酸类的一种或者两种以上的任意组合；优选的稳泡剂采用脂肪醇，最优选的稳泡剂为丁醇。

6.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述茶皂素发泡剂以其组分占发泡剂总质量的百分比计为：

茶皂素50%-70%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-20%；

稳泡剂5-20%；

其余为水。

7.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述茶皂素发泡剂以其组分的重量百分比计为：

茶皂素50%-70%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-10%；

稳泡剂5-20%；

其余为水。

8.根据权利要求1所述的茶皂素发泡剂，其特征在于所述茶皂素发泡剂以其组分的重量百分比计为：

茶皂素50%-60%；

防腐剂0.01%-2%；

表面活性剂1%-10%；

稳泡剂5-10%；

其余为水。

9.一种权利要求1～8任意一项所述的茶皂素发泡剂的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

按照预定比例配制成茶皂素水溶液后，依次加入防腐剂、表面活性剂和其他助剂进行混匀即可。

10.一种权利要求1～8任意一项所述的茶皂素发泡剂作为泡沫混凝土用复合型发泡剂方面的应用。