表面活性劑改性動物蛋白發(fā)泡劑性能實驗研究

白應(yīng)華，田冉，武界

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068）

泡沫混凝土內(nèi)部存在大量封閉的蜂窩氣孔，這些氣孔不僅降低泡沫混凝土的自重，同時還起到保溫隔熱的特性，結(jié)合混凝土自身的耐火性，泡沫混凝土被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)保溫隔熱性材料[1-2]。為了研究開發(fā)耐火性較高的保溫隔熱性材料，大量學(xué)者對泡沫混凝土材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明，泡沫混凝土的保溫性能主要取決于其內(nèi)部的多孔性構(gòu)造。目前實驗室主要采用化學(xué)法制取泡沫，但產(chǎn)生的泡沫孔徑不易控制，而且泡沫的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生塌陷。物理法發(fā)泡[3]相較于化學(xué)法發(fā)泡，制備的泡沫孔徑可控，而且泡沫外圍具有泡壁，穩(wěn)定性較好。常用的物理發(fā)泡劑有松香樹脂類、動物蛋白類、植物蛋白類等高分子物質(zhì)[4-5]。這類高分子物質(zhì)通過自身水解降解制備泡沫，但制取泡沫的成本較高。本實驗通過3種離子型表面活性劑[6]改性動物蛋白發(fā)泡劑進(jìn)行泡沫制備，制取孔徑均勻且穩(wěn)定存在的泡沫。實驗按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》標(biāo)準(zhǔn)對泡沫的泌水量、發(fā)泡倍數(shù)、沉陷距等相關(guān)泡沫性能進(jìn)行評價。

1 實驗

1.1 原材料

（1）動物蛋白發(fā)泡劑：以精選的動物（牛、羊）角質(zhì)蛋白為主要原材料，經(jīng)一系列水解反應(yīng)、加熱溶解、稀釋、過濾、高溫縮水而成。為暗褐色透明液體，有一定腐味，pH值為7.5，密度（20℃）為1.10 g/cm3，發(fā)泡倍數(shù)為40倍，1 h泡沫泌水量為57g，1 h沉降距為5.4 mL，怡佳塑膠原料有限公司生產(chǎn)。

（2）表面活性劑：α-烯基磺酸鈉（AOS），白色粉末，固含量99%；十二烷基硫酸鈉（K12），白色針狀固體，固含量93.8%；十二烷基苯磺酸鈉（LAS），白色粉末，固含量60%。均為市售。

1.2 主要實驗儀器

無底玻璃杯，容積250 mL，直徑為60 mm，實驗自制；秒表；1000 mL燒杯；發(fā)泡機：bl-8型，合肥百樂能源設(shè)備有限公司。

1.3 實驗方案

（1）單摻離子型表面活性劑改性動物蛋白發(fā)泡劑的制備

將動物蛋白發(fā)泡劑母液與水按質(zhì)量比1∶40進(jìn)行稀釋，制得發(fā)泡劑稀釋溶液（下同）；分別稱取0.8、0.9、1.0、1.1 g的AOS加入1 L的發(fā)泡劑稀釋溶液中，制得濃度分別為0.8、0.9、1.0、1.1 g/L的AOS改性發(fā)泡劑溶液；用同樣的方法制備濃度分別為0.8、0.9、1.0、1.1 g/L的K12和LAS單摻改性動物蛋白發(fā)泡劑。

（2）雙摻離子型表面活性劑改性動物蛋白發(fā)泡劑的制備

將兩種表面活性劑以等質(zhì)量復(fù)合摻入1 L的發(fā)泡劑稀釋溶液中，制備濃度分別為0.8、0.9、1.0、1.1 g/L的雙摻改性動物蛋白發(fā)泡劑。

（3）三摻離子型表面活性劑改性動物蛋白發(fā)泡劑的制備

將AOS和K12按相同質(zhì)量復(fù)合摻入固定濃度為1.0 g/L的LAS改性發(fā)泡劑溶液中，制備三摻改性動物蛋白發(fā)泡劑溶液。

1.4 性能測試方法

對上述3種摻入方式下制備的改性動物蛋白劑發(fā)泡劑，采用壓縮空氣法制取泡沫，按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》對泡沫的發(fā)泡倍數(shù)、1h泡沫泌水量和沉降距進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 單摻改性動物蛋白發(fā)泡劑

采用動物蛋白發(fā)泡主要利用動物蛋白水解，長鏈溶解成短鏈混合物，羧基、羥基等親水基團及長碳鏈烴等疏水基團使得液體表面張力降低。水解后具有雙電子層的表面活性物質(zhì)包裹空氣形成氣泡保護膜，使得氣泡不易發(fā)生塌陷[7]。普通動物蛋白發(fā)泡劑的發(fā)泡能力較差且成本較高，而陰離子表面活性劑具有產(chǎn)量大、成本較低、起泡能力較強等特點，所以通過對動物蛋白發(fā)泡劑進(jìn)行改性可以彌補普通動物蛋白發(fā)泡的缺點。

動物蛋白的物理發(fā)泡相較于其他發(fā)泡方式制取的泡沫穩(wěn)定性較高，動物蛋白水解后的雙電子層液膜包裹空氣形成穩(wěn)定氣泡外壁，控制動物蛋白發(fā)泡劑的用量可增加氣泡外壁的厚度，有效降低塌膜，提高泡沫穩(wěn)定性[8-9]。隨著發(fā)泡劑用量的增加會導(dǎo)致泡沫數(shù)量急劇增加，泡沫分子之間的引力變大，泡沫融合形成較大體積氣泡，泡沫泌水量增加。融合后的泡沫會出現(xiàn)塌泡現(xiàn)象，為了避免泡沫的塌陷。在不改變發(fā)泡劑用量的條件下，采用離子型表面活性劑與動物蛋白發(fā)泡劑溶液復(fù)配，降低液體表面的張力[10]，增強起泡能力，減小氣泡孔徑。AOS、LAS、K12等離子型表面活性劑的起泡能力遠(yuǎn)高于動物蛋白發(fā)泡劑，同時還能起到穩(wěn)定氣泡的作用[11]。通過測試發(fā)泡倍數(shù)、泡沫1 h沉降距和1 h泌水量進(jìn)行改性效果評價，單摻條件下3種離子型表面活性劑在濃度分別為0.8、0.9、1.0和1.1 g/L條件下的改性效果對比如圖1所示。

圖1 單摻離子型表面活性劑對動物蛋白發(fā)泡性能的影響

由圖1（a）可見，K12和LAS改性動物蛋白發(fā)泡劑的起泡能力較AOS改性的發(fā)泡劑大，對液體表面張力的降低較為明顯。當(dāng)濃度從0.8 g/L增加到1.0g/L時，改性后發(fā)泡劑的起泡能力顯著提高；濃度大于1.0 g/L時，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)出現(xiàn)驟減，原因是表面活性劑對動物蛋白表面張力的降低能力已達(dá)到最大值，剩余的表面活性物質(zhì)不參與反應(yīng)，在發(fā)泡劑溶液中漂浮，阻斷了氣泡的形成。因此，當(dāng)濃度為1.0 g/L時，起泡能力最佳，發(fā)泡倍數(shù)最大可達(dá)54倍。

影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素是泡沫泌水量，制備的泡沫會在自身重力的作用下下沉，對于含水量較大的泡沫，下沉速度較快，容易出現(xiàn)塌泡現(xiàn)象[12]。泡沫泌水量太大，在澆筑時會出現(xiàn)嚴(yán)重的泡沫塌陷現(xiàn)象，大幅度降低漿體抗壓強度。實驗過程發(fā)現(xiàn)，采用AOS和K12兩種表面活性劑改性制取的泡沫較為濕潤，泡孔孔徑較小，泡沫之間的粘結(jié)作用力較小，泡沫不易穩(wěn)定存在；但LAS改性的發(fā)泡劑制備的泡沫較為干燥，泡孔孔徑較大，泡沫間的粘結(jié)作用力較大，氣泡穩(wěn)定性較好。由圖1（b）可見，K12改性的發(fā)泡劑在濃度為1.0 g/L時1 h泡沫泌水量較大，最大可達(dá)到55 g；AOS和LAS改性的發(fā)泡劑泌水量較小，不易在澆筑時發(fā)生塌陷。

堆積態(tài)泡沫所受壓力主要源自于泡沫自身重量，在逐漸破碎后造成整體的沉降，沉降距的大小反映泡沫的穩(wěn)定性。影響泡沫沉降距的主要因素是泡孔的孔徑，AOS改性發(fā)泡劑制得的泡孔由于孔徑較小，泡沫在受到外部作用力下，不易發(fā)生變形。泡沫之間相互粘結(jié)可以提高泡沫的穩(wěn)定性，有效地降低泡沫的塌陷。由圖1（c）可見：AOS改性發(fā)泡劑溶液的泡沫1 h沉降距基本不受濃度變化的影響，泡沫性能較為穩(wěn)定；K12改性的發(fā)泡劑1 h沉降距較大，泡沫極不穩(wěn)定，容易塌陷。

2.2 雙摻改性動物蛋白發(fā)泡劑

復(fù)合摻入一定濃度的AOS和K12可以優(yōu)化泡沫的穩(wěn)定性；摻入一定濃度的LAS摻入有助于提高泡沫間的粘結(jié)性[13]，摻入一定濃度的AOS可以增強發(fā)泡能力，兩者復(fù)合加入可以在改善泡沫穩(wěn)定性的同時增大發(fā)泡倍數(shù)。離子型表面活性劑的加入還可以改善泡沫孔徑大小，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)密實度，不易發(fā)生泡沫塌陷。利用雙摻兩種改性劑可以彌補單摻時缺陷，泡沫改性效果更加顯著。雙摻改性動物蛋白發(fā)泡劑對動物蛋白發(fā)泡性能的影響如圖2所示。

圖2 雙摻離子型表面活性劑對動物蛋白發(fā)泡性能的影響

由圖2（a）可見：3組雙摻改性動物蛋白發(fā)泡劑均在濃度都為1.0 g/L時的發(fā)泡倍數(shù)最大，其中以雙摻表面活性劑LAS和K12的改性發(fā)泡劑起泡能力最強，發(fā)泡倍數(shù)高達(dá)84倍；雙摻AOS和K12的改性發(fā)泡劑，隨著AOS和K12濃度的變化，其發(fā)泡倍數(shù)基本在40倍上下浮動。

由圖2（b）、（c）可見：隨著雙摻表面活性劑濃度的增大，改性發(fā)泡劑泡沫1 h泌水量和1 h沉降距均呈先增大后減小。泡沫泌水量增加是由于起泡能力提高的同時，不同的泡沫會在粘結(jié)力作用下吸附到一起，聚合形成大孔徑泡沫，致使泡沫的泌水量增加[14]。如圖3所示，上部泡沫會在自重作用下發(fā)生沉降，出現(xiàn)泡沫塌陷，下部泡沫析出液增加，降低泡沫的穩(wěn)定性。

圖3 泡沫泌水后塌陷

2.3 三摻改性動物蛋白發(fā)泡劑

當(dāng)LAS表面活性劑的濃度為1.0 g/L時，泡沫之間的粘結(jié)效果最好，在此前提下，通過等濃度摻入AOS和K12對泡沫的發(fā)泡倍數(shù)和泡沫孔徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，制備穩(wěn)定性高且不易塌陷的泡沫。三摻改性動物蛋白發(fā)泡劑（LAS+AOS+K12）對動物蛋白發(fā)泡性能的影響如圖4所示。

由圖4可見：不同濃度下，三摻表面活性劑改性的動物蛋白發(fā)泡劑的起泡能力普遍增強。當(dāng)LAS的濃度為1.0 g/L，AOS和K12的濃度均為0.9g/L時，三摻改性發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大，為90倍，泡沫1 h沉降距最小，為3.20 ml，1 h泌水量也相對較小，為5.16 g，此時三摻效果達(dá)到最佳。相對于雙摻表面活性劑改性，發(fā)泡倍數(shù)整體提高了10%，1 h泡沫的泌水量最大可減小50%。當(dāng)AOS和K12的濃度大于0.9 g/L時，由改性發(fā)泡劑制備的泡沫穩(wěn)定性下降，其沉降距與泌水量均增大。

圖4 三摻離子型活性劑對動物蛋白發(fā)泡劑性能的影響

表面活性劑主要通過以下幾個方面實現(xiàn)對動物蛋白發(fā)泡劑的改性：（1）表面活性劑的摻入，降低發(fā)泡劑液體的表面張力，減少氣泡產(chǎn)生過程中受到的液體阻力。（2）經(jīng)表面活性劑改性后的動物蛋白制備泡沫，產(chǎn)生泡沫的雙電子層泡沫外壁相對較厚，不易破裂。同時包裹在氣泡內(nèi)部的空氣不易流失，后期制得的泡沫混凝土氣孔不易發(fā)生塌陷。（3）動物蛋白發(fā)泡劑制備的泡沫孔徑不易控制，在泡沫混凝土中，孔徑的大小決定其物理力學(xué)性能，摻入一定濃度的表面活性物質(zhì)可以實現(xiàn)對泡沫孔徑的控制。泡沫孔徑越均勻，泡沫粘結(jié)聚集時越不易發(fā)生破裂，穩(wěn)定性越高。

3 結(jié)論

（1）LAS的摻入可有效提高泡沫的粘結(jié)性，減少泡沫的泌水量，降低澆筑時泡沫塌陷；K12的摻入可以提高動物蛋白發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)，但泡沫泌水量會隨之增加；AOS的摻入，在降低泡沫的沉陷距的同時可提高發(fā)泡倍數(shù)。

（2）單摻K12的濃度為1.0 g/L時，起泡能力最佳，發(fā)泡倍數(shù)最大可達(dá)54倍。

（3）3組雙摻改性動物蛋白發(fā)泡劑均在濃度都為1.0g/L時的發(fā)泡倍數(shù)最大，其中以雙摻表面活性劑LAS和K12的改性發(fā)泡劑起泡能力最強，發(fā)泡倍數(shù)高達(dá)84倍；雙摻AOS和K12的改性發(fā)泡劑，隨AOS和K12濃度的變化，改性發(fā)泡劑發(fā)泡倍數(shù)基本在40倍上下浮動；隨著雙摻表面活性劑濃度的增大，泡沫1h泌水量和1h沉降距均呈先增大后減小的趨勢。

（4）當(dāng)LAS的濃度為1.0 g/L，AOS和K12的濃度均為0.9 g/L時，改性發(fā)泡劑的最大發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)90倍，泡沫1h沉降距最小，為3.20 ml，1 h泌水量也相對較小，為5.16 g，泡沫不易發(fā)生塌陷，此時表面活性劑的改性效果最佳，所制的泡沫性能最佳。