Turbiscan测量发泡能力和泡沫稳定性

摘要

泡沫体系在食品、清洁产品、卫生和健康行业中经常被应用，也常用于建筑材料(隔热和隔音、减震器)或航空航天/汽车领域的轻型材料中。另一方面，在某些情况下，泡沫是不受欢迎的子产品，必须加以限制(造纸、印刷)。由于泡沫不稳定现象的多样性，测量和分析泡沫仍然是一个挑战。本说明展示了基于SMLS的Turbiscan技术，科学地表征泡沫稳定性：泡沫高度，泡沫大小，发泡能力…

定义

泡沫，是聚在一起的许多小泡，由不溶性气体分散在液体或熔融固体中所形成的分散物系。其中表面活性剂吸附在气泡表面，以减少界面张力(气泡/片层)，并且对起泡性、泡沫稳定性和发泡质量起重要作用。

泡沫聚并---泡沫中分开两个气泡的薄膜破裂

奥氏熟化---由于拉氏压差的存在，最小的气泡通过液膜扩散到较大的气泡中

排水作用---液体从液膜中流走

这些现象往往结合在一起，随着时间的推移，气泡的尺寸增加，排水作用进一步促进了聚并，液体和气体之间相分离。Turbiscan^®是研究泡沫精确可靠的工具，可以获得发泡过程中的泡沫高度和失稳现象随时间的变化。

仪器原理

基于静态多光散射(SMLS)的Turbiscan技术的工作原理是利用近红外光源照射样品，然后获取样品从底部到顶部整个高度的背散射(BS)和透射(T)信号。

信号强度与粒子的浓度(φ)和大小(𝒅)有关，连续相折射率(𝒏𝒇)和分散相折射率(𝒏𝒑)为固定参数。BS和T的测量可以采用扫描方式进行，以提供稳定性和粒径测量。

应用案例

泡沫高度——一次扫描

下图显示了发泡过程30秒后的第一次扫描。只需30秒，Turbiscan就能提供有关起泡性的信息---泡沫高度以及初始气泡大小。

区域(1)：样品底部-透射光信号

透射光的信号峰对应于瓶子底部的水相分层状态

区域(2)：样品的顶部和中部-背散射光信号

背散射光的信号峰来自于气泡的散射。通过读取横坐标泡沫高度很容易地测量(27.4毫米)。由于已知初始液体高度，就可以很容易地确定发泡性(泡沫体积/初始液体体积)以及初始气泡大小(这里是450 μm)

泡沫稳定性——随时间多次扫描

随着时间的推移，仪器重复扫描样品，以研究泡沫参数的演变，如气泡大小、泡沫损失、气泡合并率。下图是Turbiscan在30分钟的实验中检测到的泡沫的演变，第一次扫描为蓝色，最后一次扫描为红色。

区域(1)：样品底部-透射光信号

左图底部传输信号增加，对应于样品底部水相澄清度的增加，峰的宽度增加对应于分水体积的增加。

区域(2)：样品中间-背散射信号

随着时间的推移，背散射信号随着气泡尺寸的增大而减小，即气泡的聚并。

区域(3)：样品顶部-透射光信号

峰出现在右侧，并从右侧向左侧发展。这与泡沫破裂相对应，泡沫体积逐渐缩小，导致高度降低。

实际应用

1. 使用T-MIX模块或DNS型号直接测量发泡能力

上表是三个表面活性剂在相同的搅拌速度下发泡能力的评价。表面活性剂A比表面活性剂B和C产生的泡沫更多。

2. 气泡直径

基于Mie理论，Turbiscan^®能够计算气泡的平均直径随时间的变化，并且不需要任何样品准备。

通过计算斜率，可以很容易地得到气泡的聚并速率:

与表面活性剂A相比，表面活性剂B和C的初始气泡大小不同(约430μm vs 630μm)，泡沫质量不同。此外，表面活性剂C构成的泡沫的聚结速度最慢。

3. 泡沫稳定性和半衰期

从上图中可以确定泡沫的初始量和泡沫损失的速度(曲线的斜率)，从而很容易评估泡沫的稳定性。

注：泡沫稳定性可以用泡沫半衰期来表示。半衰期被定义为初始泡沫体积/高度的一半坍塌所需的时间，使用这种技术可以很容易地确定。

4.排水速度

随着时间的推移，底部液相逐渐增高，称为排水。通过跟踪样品底部透射峰随时间变化的厚度，可以精确而快速地测量该厚度:

表面活性剂C产生的泡沫排水速度最慢，这必然与泡沫的初始大小和泡沫的稳定性有关。

结论

使用SMLS技术可以科学地测量起泡性，泡沫大小和泡沫稳定性。所有的数据都可以总结在雷达图中，以便比较不同的配方，选择最佳的配方。

表面活性剂B在所有参数上都被表面活性剂A和C所超越，可以认为是效率最低的发泡剂。对于泡沫的产生，表面活性剂A是最合适的发泡剂，它产生的泡沫量最多，但泡沫不如表面活性剂C产生的泡沫细腻和稳定。因此，为了稳定和最好的泡沫质量，表面活性剂C是首选的表面活性剂。