泡沫的形成非常简单,只要向
起泡剂(
表面活性剂或
高分子化合物)溶液中通入气体,在溶液表面即有泡沫生成。泡沫形成后,气泡壁间夹带上来的液体在重力作用下向下流失,
液膜逐渐变薄,气泡互相接近而变形。图 1 是三个气泡互相接近时的变形情况,三个气泡的交界处称为普拉托交界。根据
拉普拉斯方程, A 处的压力大于 B 处,膜中液体向普拉托交界处流动,液膜进一步变薄。在此过程中,如果液膜强度不够,则液膜破裂,泡沫逐渐消失。如果起泡剂能在气-液界面吸附形成较紧密的单分子层,则液膜变薄到一定厚度后,两个单分子层在液相相遇而发生空间阻碍作用或两个扩散
双电层重叠而发生电性排斥作用,此两种作用均可阻止
液膜进一步变薄。液膜在某一厚度达到平衡,泡沫可处于暂时稳定状态。因此,吸附单分子层在接近时造成的
空间阻碍作用和双电层的排斥作用愈大,泡沫愈稳定。
泡沫中液膜受外界搅动时会发生局部变薄(图 2)。变薄的区域中,由于表面面积的扩大,表面上吸附的
起泡剂的浓度下降,
表面张力上升,因而吸附在
液膜表面未受搅动处的起泡剂分子向薄液膜处的表面迁移,使薄液膜处的表面张力和
吸附量恢复原值。起泡剂迁移时,带着液面下的一层水分子移动,因而薄处的液膜厚度也增加。此种作用称液膜的弹性效应,此效应的大小可用液膜
弹性系数 E 来表示:E=2(dγ)/(dlnA)
式中γ为表面张力; A 为液膜面积。E 越大,
液膜抵抗外界干扰的能力越大,泡沫越稳定。 E 的大小与
起泡剂在表面的
吸附量和体相的浓度有关。
表面吸附量大,扩大表面时
表面张力的变化就大,因而 E 大。当液膜受干扰处的表面浓度下降时,体相中起泡剂分子也必然向
表面扩散和在
表面吸附。体相浓度愈大,这一过程进行愈快,因而 E 愈小。因此,起泡剂在体相中浓度应有一最适宜值,此值在
胶团临界形成浓度附近。浓度愈小,则吸附量愈小,膜的强度和弹性效应愈小。浓度超过胶团临界形成浓度后,吸附量不变,但膜的弹性效应却会下降。
除了膜的强度和膜的弹性外,影响泡沫稳定性因素还有体相粘度和
表面粘度。体相粘度和表面粘度大,则
排液速度慢,泡沫稳定。另外,泡沫总是由大小不均的气泡组成,根据
拉普拉斯方程,小泡中
气体压力比大泡中的大,于是气体从小泡穿过
液膜扩散到大泡中,小泡消失,大泡变大,最终泡沫破坏。如果
起泡剂分子吸附膜排列紧密,表面粘度大,则气体分子不易透过,泡沫稳定。为了增加泡沫稳定性,常加入极少量
稳泡剂(
碳链较长的
极性有机物,如
月桂醇),稳泡剂和起泡剂不仅可在表面形成紧密的混合膜,而且还可降低起泡剂的
胶团临界形成浓度和降低起泡剂的
吸附速度,因而可增加膜的弹性,使泡沫稳定性增加。
即在较短时间内破坏一个泡沫体系。常用的消泡方法是加入可溶或不溶的极性有机物,这些物质可在表面上吸附或展开,置换原
起泡剂,本身又形不成稳定的
液膜, 因而有消泡作用。 常用
消泡剂有短链或
支链的
醇类(如
异戊醇)、
磷酸酯类(如
磷酸三丁酯)、
硅油、含氟极性有机物、
环氧乙烷和
环氧丙烷的
共聚物等。