CN114181717B - 一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学领域，涉及一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，包括：将碳氟表面活性剂溶液与高价金属离子盐溶液混合均匀，得到混合溶液；向所述混合溶液中加入氢氧化钠，调节混合溶液的pH；向混合溶液中通入气体，形成泡沫，即得。本发明通过向碳氟表面活性剂全氟羧酸的溶液中加入金属离子盐溶液，利用金属离子与羧酸根的配位作用来诱导碳氟表面活性剂颗粒的形成以提高泡沫的稳定性。研究表明，向碳氟表面活性剂加入金属离子盐溶液可以诱导碳氟表面活性剂颗粒的形成，并且碳氟表面活性剂颗粒的存在显著提高了泡沫的稳定性。

Description

一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法
技术领域
本发明属于化学领域，具体涉及一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
泡沫作为一种典型的软物质材料，兼具固体弹性形变以及液体流动性的特点。由于其粒径较小、比表面积较大和流动性良好，故在食品加工、日化洗涤、消防灭火和泡沫浮选等领域广泛应用。从热力学角度来说，泡沫属于不稳定体系，而在实际应用中则经常要求其能保持较长时间的动力学稳定状态，因此，构筑高稳定性能的泡沫分散体系尤为关键。
碳氟表面活性剂是一种常见的泡沫稳定剂。由于其具有高化学稳定性、高表面活性、高热稳定性和憎水憎油性的独特性能，可用于消防领域以增强灭火和阻燃的效率。近年来，研究者通常将碳氟表面活性剂和碳氢表面活性剂复配加以使用，虽然一定程度上降低了制备成本，但上述体系的泡沫稳定性较差，仍然难以满足在灭火阻燃过程中的现实需要。因此需要进一步优化泡沫的制备方法、探索泡沫稳定性机理，以充分发挥碳氟表面活性剂的性能优势，进而达到增强泡沫稳定性的目的。
研究表明，相对于上述仅有气液两相的泡沫而言，包含固体、液体、气体的三相泡沫更具有优势。固体颗粒稳定的三相泡沫的稳定性远远大于表面活性剂稳定的体系。一方面，固体颗粒一旦吸附在气液界面上便难以脱附；另一方面，颗粒构筑的界面膜具有很强的刚性，能有效抑制液膜的排液，阻止液滴的合并生长。目前，向泡沫体系中引入固体颗粒通常有以下几种策略：其一，直接向泡沫体系中加入固体颗粒，比如二氧化硅、三氧化二铝等。通过表面活性剂与颗粒之间的非共价作用实现颗粒表面疏水化改性，使其能够稳定存在气液界面。该策略虽然操作十分简便，但是改性过程受表面活性剂浓度影响较大，不易精确调控颗粒的润湿性。其二，通过共价合成的方法直接合成润湿性适当的颗粒。该策略通常涉及到微凝胶颗粒或乳胶粒子的制备，虽然该策略中颗粒的润湿性可以实现精确调控，但合成方法过于繁琐，限制了其进一步应用。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法。通过向碳氟表面活性剂稳定的泡沫体系中引入高价金属离子盐以诱导表面活性剂的颗粒形成，提高了泡沫稳定性。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，包括：
将碳氟表面活性剂溶液与高价金属离子盐溶液混合均匀，得到混合溶液。
向所述混合溶液中加入氢氧化钠，调节混合溶液的pH；
向混合溶液中通入气体，形成泡沫，即得。
本发明尝试向表面活性剂稳定的泡沫中加入高浓度的盐来诱导表面活性剂颗粒的形成。表面活性剂颗粒的存在可显著增强泡沫的稳定性，同时该方法易于操作，避免了复杂的合成，是一种简单有效的方法。研究结果表明：表面活性剂的类型和金属盐的价态对泡沫的稳定性有较大影响，对于碳氟表面活性剂，加入高浓度的盐后可以获得高稳定性的泡沫。
本发明的第二个方面，提供了利用上述方法制备的泡沫。
本发明通过向碳氟表面活性剂全氟羧酸的溶液中加入金属离子盐溶液，利用金属离子与羧酸根的配位作用来诱导碳氟表面活性剂颗粒的形成以提高泡沫的稳定性。研究表明，向碳氟表面活性剂加入金属离子盐溶液可以诱导碳氟表面活性剂颗粒的形成，并且碳氟表面活性剂颗粒的存在显著提高了泡沫的稳定性。
本发明的第三个方面，提供了上述的方法在制备三相阻燃泡沫中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明向碳氟表面活性剂的溶液中加入金属离子诱导了碳氟表面活性剂颗粒的形成，该颗粒稳定的泡沫具有良好的稳定性，稳定时间长达30天。并且该方法简单有效，易于操作。
(2)全氟辛酸是一种典型的碳氟表面活性剂，具有中等长度的碳氟链，氟原子的存在赋予了其独特的性质，因而在灭火以及阻燃方面具有巨大的潜力。然而对于只有全氟辛酸存在的泡沫稳定性较差，因而本发明向全氟辛酸中加入金属离子，诱导碳氟表面活性剂颗粒的形成，提高了其稳定泡沫的性能。该方法简单便捷易于操作，并且当碳氟链增长时，该方法同样适合，为三相阻燃泡沫的制备提供了方向。
(3)本发明通过向全氟辛酸中引入金属离子，诱导了碳氟表面活性剂颗粒的形成，碳氟表面活性剂颗粒的存在有效地减缓了液膜的失水，泡沫的稳定性显著增强。
(4)本发明的方法操作简单便捷，避免了复杂的合成，为三相阻燃泡沫的制备提供了方向。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒稳定的泡沫照片；
图2为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒稳定的泡沫放置30天后的照片；
图3为全氟辛酸与La3+形成的颗粒稳定的泡沫照片；
图4为全氟辛酸与La3+形成的颗粒稳定的泡沫放置30天后的照片；
图5为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒稳定的泡沫的光学显微镜图片；
图6为全氟辛酸与La3+形成的颗粒稳定的泡沫的光学显微镜图片；
图7为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒稳定的泡沫的扫描电子显微镜图片；
图8为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒的扫描电子显微镜图片；
图9为全氟辛酸与La3+形成的颗粒的扫描电子显微镜图片；
图10为全氟辛酸与Pb2+形成的颗粒和全氟辛酸的红外对比图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，包括：
将碳氟表面活性剂溶液与高价金属离子盐溶液混合均匀，得到混合溶液；
向所述混合溶液中加入氢氧化钠，调节混合溶液的pH；
向混合溶液中通入气体，形成泡沫，即得。
在一些实施例中，高价金属离子盐为二价金属离子盐或者三价金属离子盐。
在一些实施例中，高价金属离子盐为含Pb2+或La3+的盐。
在一些实施例中，碳氟表面活性剂为全氟辛酸。
在一些实施例中，混合溶液中，高价金属离子与碳氟表面活性剂的摩尔比分别为1：1～3。
在一些实施例中，混合溶液中，全氟辛酸的摩尔浓度为分别为50～60mM。
本申请研究发现：调节全氟辛酸溶液分别与高价金属离子溶液混合后体系的pH在1.4～5.5的范围内，即可构筑高稳定泡沫；优选地，当混合溶液的pH为2.5～3.5时，泡沫的稳定时间可长达30天。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
1、分别配置一定摩尔浓度的碳氟表面活性剂溶液以及高价金属离子盐溶液。碳氟表面活性剂选用的为中等碳氟链长的全氟辛酸。金属离子盐溶液选用Pb(NO3)2溶液。二价金属与全氟辛酸的摩尔比分别为1：1。
2、分别量取4mL的全氟辛酸溶液以及金属离子溶液于玻璃瓶中，混合均匀。混合溶液中全氟辛酸、Pb2+的摩尔浓度为分别为50mM、50mM。调节混合溶液的pH为3.5。
3、将混合溶液通过手摇的方式进行反复震荡以通入气体，泡沫随即形成。
实施例2：
1、分别配置一定摩尔浓度的碳氟表面活性剂溶液以及高价金属离子盐溶液。碳氟表面活性剂选用的为中等碳氟链长的全氟辛酸。金属离子盐溶液选用LaCl3·7H2O溶液。三价金属离子与全氟辛酸的摩尔比为1：2。
2、分别量取4mL的全氟辛酸溶液以及金属离子溶液于玻璃瓶中，混合均匀。混合溶液中全氟辛酸、La3+的摩尔浓度为分别为50mM、25Mm。调节混合溶液的pH为2.5。
3、将混合溶液通过手摇的方式进行反复震荡以通入气体，泡沫随即形成。
实验例1
对实施例1、2制备的泡沫的性能进行测试：
如实施例1、2中所述的方法，向全氟辛酸溶液中分别加入金属离子Pb2+和La3+，通过手摇震荡的方式通入气体，固体颗粒稳定的泡沫形成，如图1和图3所示。
光学显微镜能够证实泡沫的形成，结果如图5和图6所示。泡沫表现为尺寸不一的椭球状，泡沫的直径与颗粒的尺寸有关。La3+与全氟辛酸形成的颗粒稳定的泡沫的直径略大于Pb2+与全氟辛酸形成的泡沫。扫描电子显微镜进一步表征了泡沫的微观结构，结果如图7所示。从扫描电子显微镜图片中可以看到泡沫的中空结构，这同样证明了泡沫的形成以及泡沫是由颗粒稳定的。
在向全氟辛酸的中分别加入Pb2+和La3+以后分别观察到了板状和条状的颗粒，如图8和图9所示。La3+与全氟辛酸形成的颗粒尺寸大于Pb2+与全氟辛酸形成的颗粒。颗粒的存在能够有效的减缓液膜的失水以及老化，因而泡沫的稳定性增强。
傅里叶变换红外光谱证实了碳氟表面活性剂与金属离子的结合，结果如图10所示。通过对比红外谱图可以发现全氟辛酸与金属离子的配位结合。金属离子与羧酸根配位结合时，羧酸根的不对称伸缩振动和对称伸缩振动发生变化。结果表明，加入Pb2+以后全氟辛酸中羧酸的不对称伸缩振动与对称伸缩振动从1713cm-1、1465cm-1移动到1620cm-1、1424cm-1，这能够证实金属离子与全氟羧酸的配位结合。
将实施例1、2制备的泡沫在室温条件下存放，泡沫的稳定时间长达30天。如图2和图4所示，泡沫体积在30天内并未发生明显变化，表明其具有良好的稳定性。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，其特征在于，包括：
将碳氟表面活性剂溶液与高价金属离子盐溶液混合均匀，得到混合溶液；
所述碳氟表面活性剂为全氟辛酸；
所述高价金属离子盐为含Pb2+或La3+的盐；
向所述混合溶液中加入氢氧化钠，调节混合溶液的pH；
向混合溶液中通入气体，形成泡沫，即得。
2.如权利要求1所述的由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，其特征在于，混合溶液中，高价金属离子与碳氟表面活性剂的摩尔比分别为1：1～3。
3.如权利要求1所述的由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，其特征在于，混合溶液中，全氟辛酸的摩尔浓度为分别为50～60mM。
4.如权利要求1所述的由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，其特征在于，对于Pb2+，混合溶液的pH为1.4～5.5。
5.如权利要求1所述的由碳氟表面活性剂颗粒构筑高稳定泡沫的制备方法，其特征在于，对于La3+，混合溶液的pH为2.5～3.5。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法制备的泡沫。
7.权利要求1-5任一项所述的方法在制备三相阻燃泡沫中的应用。
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