混凝土蛋白质发泡剂改性探析范文

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《粉煤灰综合利用杂志》2016年第5期

摘要:

研究了添加少量表面活性剂和胶状物质在蛋白质发泡剂中，用发泡倍数和泡沫体积随时间时变化作为发泡剂性能评价指标，探讨了它们对发泡剂的发泡性和泡沫稳定性的改善效果。

关键词:

发泡剂；泡沫；稳定性

利用机械方式将发泡剂水溶液制成泡沫，再将泡沫混入到水泥混合料中，是制备泡沫混凝土的主要方法之一。泡沫混凝土的质量好坏与发泡剂性能密不可分，良好的发泡剂是制备优质泡沫混凝土的核心要素。从化学成分上看，发泡剂主要是由表面活活性剂和蛋白质两大类物质组成。这类物质除能在极少量情况下就能降低溶液的表面张力外，还可以通过不同方式促进泡沫的稳定，进而提高泡沫混凝土的性能。蛋白质型发泡剂是目前比较受市场欢迎的一类发泡剂，虽然发泡能力不及阴离子型发泡剂且价格较高，但泡沫稳定性好，性能优良。蛋白质型发泡剂按照原料成分可分为植物蛋白和动物蛋白两种。发泡剂从早期的以表面活性剂类化学物质为主要起泡源的种类转变为近期以蛋白质为主要起泡源的种类。美国、日本、韩国、意大利等国家相继研发出高性能蛋白型发泡剂［1］。如美国研制的烷基磺酸碱金属盐与水解蛋白质复合组成的液体发泡剂、日本采用蛋白质物添加适量的阳离子表面活性剂配成的混合发泡剂等。Maldonado－Valderrama［2］研究了蛋白质－表面活性剂复合体系发泡剂对泡沫稳定性的影响。与国际上比较成熟的蛋白质类发泡剂相比，我国现有的发泡剂在发泡能力、泡沫稳定性等方面存在很大差距，我国的发泡剂应用比国外要晚得多，从上世纪50年代我国开始生产应用发泡剂［3］，主要有松香胶发泡剂、废动物毛发泡剂、树脂皂类发泡剂、水解血胶发泡剂、石油磺酸铝发泡剂等［4］。近几年国内又相继出现了AB复合发泡剂［5］CCW－95型固体发泡剂等［6］，系几种复合物组成;青海型发泡剂［7］也在生产上有所应用，属于蛋白质类。基于此，我们采用几种新型的改性外加剂(简称改性剂)，将其对基础的蛋白质发泡剂性能的影响进行了研究。

1试验

1．1试验材料和仪器

发泡剂母液:发泡剂是由北京广慧公司提供FH－200型蛋白质发泡剂。十二醇:分析纯，某化学试剂公司产;阿拉伯树胶:天津博迪化工有限公司提供;十二烷基苯磺酸钠:工业级，浙江龙啸化工有限公司产;三乙醇胺:分析纯，某化学试剂公司产。主要仪器:GH－1型蛋白质发泡机。

1．2试验方法

我国目前还没有评价发泡剂性能的有关技术标准及规程。本文采用压缩空气法制备泡沫，即采用一定量的初始发泡剂母液，按一定比例与水稀释成发泡液(发泡剂母液:水=1:25为基础)，倒入发泡机后，(用压力、流量控制发泡状态，得到泡沫。)用1000mL量筒量取1000mL泡沫，在实验室环境中存放，并观察泡沫体积的变化。王翠花［9］研究发泡剂发泡性能时候认为，当泡沫体积＜200mL时认为是基本消泡，记录消泡时间T和泡沫液体积V。泡沫体积与泡沫完全消泡后泡沫液体积之比称为发泡倍数M，表示发泡能力，消泡时间T表示泡沫稳定性。

2结果与讨论

2．1改性剂对蛋白质型发泡剂起泡性和稳定性的影响

泡沫是气体分散在液体中的粗分散体系，由于体系存在着大量的气－液界面，属于热力学上的不稳定体系，所以泡沫最终还是趋于破坏的。造成泡沫破坏的主要原因是重力排液、表面张力排液和气泡内气体的扩散［10］。(1)重力排液由于液相密度大于气相密度，因此在重力的作用下，存在于气泡间的液膜，就会产生向下的排液现象，使液膜变薄，并导致泡沫破裂。重力排液仅在液膜较厚时为主导因素。(2)表面张力排液由于泡沫由多面体气泡簇集而成。依据Young－Laplace公式［8］(△p=2g/R)，凹液面处的压力小于平液面处(相当于公式中R无穷大)的压力，因此液体从压力大处向压力小处排液，使得压力大处液膜减薄，进而导致液膜破裂。(3)气泡内气体的扩散因为形成泡沫的气泡大小不一，根据Young－Laplace公式，附加压力△p与曲率半径成反比，小气泡内压力大于大气泡内的压力，因此小气泡会有通过液膜向大气泡里排气的趋势，使小气泡变小以至于消失，大气泡则变大同时使液膜变薄，最后破裂。从以上3个方面可以看出，泡沫自身的稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度，而增大溶液的粘度和液膜的粘度和弹性模量恰恰可以解决这3方面的问题。本文通过掺加具有稳泡性的表面活性物和胶状物来改善泡沫的稳定性。掺入物质按照作用方式分为两类:第一类是能降低液体表面张力，提高泡沫薄膜的质量，增加薄膜的粘度和弹性模量，减小泡沫的透气性，增强泡沫的稳定性;第二类是增粘性物质，通过提高液相粘度来减缓泡沫的排液速率，从而提高泡沫的稳定性。

2．2十二醇对发泡液的改性

在1000mL的发泡液中添加0～0．8g的十二醇，所得发泡液的发泡倍数和泡沫消泡时间见图1、图2。如图1所示，当十二醇掺量＜0．3g时，发泡倍数低于纯发泡剂(16．7)，当十二醇掺量在0．3～0．7g范围内时，发泡倍数逐渐上升，当掺量等于0．7g时发泡倍数达到最大(16．9)，说明十二醇还能促进泡沫的形成;掺量大于0．7g时，发泡倍数降低;如图2所示掺量在0～0．6g时，消泡时间缓慢提高，当掺量大于0．6g时，消泡时间显著增大。这是因为十二醇分子本身碳氢链周围有“冰山”结构降低溶液的表面张力，促进了胶团的形成，降低了临界胶束浓度，增加了泡沫量，如果继续增加十二醇掺量，溶液的粘度逐渐增大，使溶液的发泡量降低。

2．3三乙醇胺对发泡液的改性

在1000mL的发泡液中添加0～11mL的三乙醇胺，发泡液的发泡能力和泡沫稳定性结果如图3和图4。从图3可以看出，当加入三乙醇胺后，发泡倍数有所提高，提高幅度并不高;当掺量在7mL之间时，发泡倍数最大。如图4所示，泡沫的消泡时间也是延长的。当掺量在5mL时泡沫的消泡时间最长。

2．4阿拉伯胶对发泡液的改性

阿拉伯树胶粉，俗名阿拉伯胶，溶于水，主要用作增稠剂。采用阿拉伯胶是出于其对泡沫膜壁强度增强作用的考虑。试验时阿拉伯胶以粉状物添加到热水(发泡剂混合水的一部分)中溶解，将溶液与发泡液混合倒入发泡机中。试验结果见图5、图6所示。根据图5可以看出，加入阿拉伯胶后会不同程度影响泡沫液的发泡倍数，掺量在0～12g范围内时，泡沫液的发泡倍数几乎不发生变化，当掺量从12g增加到18g时，泡沫液的发泡倍数逐渐下降，当掺量为18g时发泡倍数显著降低，仅为13．7。根据图6可以看出，当掺量在6g时，泡沫的消泡时间显著增加，即泡沫稳定性提高;当掺量大于6g时，泡沫的消泡时间显著降低。这是因为:阿拉伯胶是一种增稠剂，加入后使得母液相应的变稠，这样发出的泡沫薄膜强度了提高，增加了薄膜的粘度和弹性模量，减小了泡沫的透气性，从而增强了泡沫的稳定性;但因为掺量不断增大时，液相的粘度也不断增大，起泡时克服粘滞阻力所要做的功也增大，起泡倍数也就降低。而且掺量增大，液膜中的液体的比重也增加，这时重力作用就容易造成泡沫破裂而析水，从而使稳定性降低。

2．5十二烷基苯磺酸钠对发泡液的改性

烷基苯磺酸盐为一种阴离子型表面活性剂。试验时以粉状的形式先溶于水中，然后与泡沫液混合后倒入发泡机中。试验结果如图7、图8所示。根据图7所示，当十二烷基苯磺酸钠掺量在7～10g范围内时，泡沫液的发泡倍数显著提高，并且当掺量等于10g时，发泡倍数达到最大;掺量在10～19g范围内时，发泡倍数基本保持稳定并且略有下降;同时从图8可以看出当掺量小于16g时，泡沫消泡时间一直在提高，并且在16g时，稳泡时间达到最大3．1h。这是因为掺量增大使得液相粘度增大，导致发泡需要克服的功也增大，起泡较难，而且制出的泡沫壁较厚，重力作用明显，导致稳定性也下降，泡沫不断析水消泡。

2．6十二醇与三乙醇胺混合添加对泡沫液的改性

在1000mL发泡液中，固定十二醇掺量为0．6g，增加三乙醇胺的掺量试验结果如图9、图10所示。根据图9所示，三乙醇胺和十二醇复配气泡能力提升不明显，当三乙醇胺掺量达3mL时，发泡倍数达到最大14．7;从图10可以看出，三乙醇胺与十二醇复配并没有很好的稳泡效果，加入三乙醇胺后，泡沫排液速度比较快，泡沫稳定性较差，所以从总体效果来说，此种复配不理想。

2．7十二醇与阿拉伯胶混合添加对泡沫液的改性

在1000mL发泡液中，固定十二醇掺量为0．6g，增加阿拉伯胶的试验结果如图11、图12所示根据图11可以看出溶液的发泡倍数显著降低，当掺量为18g时，发泡倍数降低至6，此复配体系对泡沫液发泡倍数影响很大;但是从图12可以看出，加入阿拉伯胶后，泡沫的稳定性大幅度提高，当掺量为12g时，泡沫消泡时间达到5．2h，但是阿拉伯胶掺量过大会造成稳定性降低，说明在一定掺量范围内阿拉伯胶对泡沫的稳定性有很好的效果，但是却使发泡倍数降低。

2．8十二醇与十二烷基苯磺酸钠混合添加对泡沫液的改性

在1000mL发泡液中，固定十二醇掺量为0．6g，增加十三烷基苯磺酸钠的掺量，试验结果如图13、图14所示，根据图13所示，十二醇与十二烷基苯磺酸钠复配使得发泡倍数大幅度提高，其中当十二烷基苯磺酸钠掺量在13g时，发泡倍数达到25．6，其后有所下降;十二醇与十二烷基苯磺酸钠复配对泡沫稳定性有很大的提升，当掺量为10g时，消泡时间达到6．5h，所以十二醇与十二烷基苯磺酸钠复配效果最佳。

3结论

(1)十二醇掺量为0．6～0．7g时，发泡倍数和稳定性有了明显改善，对发泡剂起到了有利的改性作用;

(2)三乙醇胺掺量为5～6mL时，泡沫的稳定性有一定的改善作用;

(3)阿拉伯胶的掺入，引起发泡倍数变化不大，但对泡沫稳定性有改善作用;

(4)烷基苯磺酸盐掺量为7～15g，发泡倍数和稳定性有了明显改善，对发泡剂起到了有利的改性作用：

（5)十二醇与三乙醇胺复配对发泡倍数影响不大，但是降低泡沫的稳定性;

(6)十二醇与阿拉伯胶复配使发泡倍数降低，但是使泡沫稳定性大幅度提高，总体效果是有利的;

(7)十二醇与十二烷基苯磺酸钠复配使得发泡倍数与泡沫稳定性大幅度提高，最佳掺量范围为十二醇0．6～0．7g，十二烷基苯磺酸钠7～16g。

参考文献：

［3］屈志中，翟串梅，谢烈英．松香胶泡沫剂配制和使用的几个问题［J］．建筑技术，2004，35(10):756－758．

［4］高波，王群力，周孝德．混凝土发泡剂及泡沫稳定性的研究［J］．粉煤灰综合利用，2004(1):13－16．

［5］尚红霞，黄劲苗．泡沫混凝土砌块发泡剂的研制［J］．新型建筑材料，1999(1):15－16．

［6］张巨松，扬合，曾尤．国内外混凝土发泡剂及发泡技术分析．［J］．低温建筑技术，2001(6)，66－67．

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［8］徐燕莉．表面活性剂的功能［M］．北京:化学工业出社，2000．

［9］王翠花，潘志华．蛋白质类发泡剂的合成及其泡沫稳定性［J］．南京工业大学学报，2006，28(4):93－95．

［10］丁起．新型高效混凝土发泡剂的研究．新型建筑材料，2009，10，16－18．

作者:胡涛 钟世云 单位:同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室