泡沫剂稳定性的表征及其影响因素的研究

　　【摘要】本文提出一种较为简单实用的方法和装置表征泡沫的稳定性，并测试了不同因素对泡沫稳定性的影响。通过考察不同发泡方式、不同浓度、不同温度等因素对泡沫性能的影响，得出如下结论：采用压缩空气发泡方式既经济又高效；浓度越高的泡沫液，制得的泡沫稳定性相对越好；温度越高的泡沫剂溶液制得的泡沫密度就越低，稳定性较差。

　　【关键词】泡沫剂；泡沫稳定性； 泌水量；沉降距；半消时间

　　1 引言

　　随着国家节能减排和墙体改革政策的实施，各种轻质保温材料成为重点研究方向之一。泡沫混凝土材料以其环保、不燃、耐久、轻质保温的优异特点受到了极大的关注。而泡沫剂作为泡沫混凝土材料的重要原材料，其性能始终影响着泡沫混凝土材料的最终综合性能。

　　目前我国应用在泡沫混凝土的泡沫剂主要含有以下几种。一是松香皂泡沫剂[1]。松香皂泡沫剂是使用较早的一种泡沫剂，是以松香和氢氧化钠等为主要原料经过皂化反应制取，其主要成分为松香酸钠，外观呈浅黄褐色液体。其制造工艺简单，材料成本较低，但其泡沫强度也较差，稳定时间短。二是蛋白型泡沫剂。可分为动物型蛋白 [2]和植物蛋白型泡沫剂，此类泡沫丰富、细密，韩国地暖施工中使用的泡沫剂80%为该种产品。三是化学合成类泡沫剂，其具有优良的起泡能力，近年来成为泡沫剂的主流产品。但这种泡沫剂存在泡壁薄、稳定性差的缺点。四是复合型泡沫剂。单一泡沫剂的性能不够完善，因此复合型泡沫剂是解决综合性能的有效方法之一。通过复配方法，实现互补、协同效应。复合型泡沫剂可含有起泡组分、增泡组分、稳泡组分、功能组分、调节组分等。

　　影响泡沫剂泡沫稳定性的因素错综复杂，除了泡沫剂自身内在因素外，外因也是影响重大，如浓度，温度，发泡方式等等，同一种泡沫剂在不同的条件下泡沫的状态很不一样。本文提出一种较为简单实用的方法和装置表征泡沫的稳定性，并考察不同因素对泡沫稳定性的影响。

　　2 实验原材料及方法

　　2.1 主要原材料及设备

　　复合泡沫剂,北京中建国信科技开发中心，自制；

　　松香型泡沫剂，某公司生产，市售；

　　粉剂泡沫剂，某公司生产，市售。

　　SP-Ⅱ发泡机，北京中建国信科技开发中心，自主设计开发；

　　高速电动搅拌机，金坛市中大仪器厂。

　　2.2 试验方法

　　高速搅拌制泡方法：将一定稀释比例的泡沫液100mL倒入1000mL的烧杯中，在转速3000r/min的搅拌速度下搅拌发泡3min。

　　压缩空气发泡机制泡：将一定稀释比例的泡沫液吸入SP-Ⅱ发泡机，通过压缩空气制泡。

　　泡沫密度的测定方法：将一定稀释比例的泡沫剂溶液通过不同发泡方式制备出泡沫，然后装入1000L玻璃容器装入泡沫，并称量其重量。通过计算即可得到其泡沫密度。

　　同时，通过一套较为适用的方法和装置考察高性能泡沫剂不同发泡方式，不同浓度，不同泡沫剂温度对泡沫稳定性的影响。

　　3 实验结果及分析

　　3.1 泡沫剂稳定性的评价方法

图1 检测泡沫剂稳定性方法

　　由于我国目前没有相关水泥基泡沫剂产品的国标或者行标，行业内没有统一的方法来评价泡沫剂的稳定性。本文结合行业现状，研究出一种较为简单实用的方法和仪器装置（如图1）。装置中漏斗的内直径为10cm，筒深5cm。通过电子天平、直尺、秒表可以同时测定出泡沫经时泌水率和沉降距以及半消泡时间，用以表征和评价泡沫稳定性的优劣。

　　通过上述方法，在20℃条件下，通过高速搅拌方式制备出泡沫，比较了复合泡沫剂、某粉剂混凝土泡沫剂、某松香型泡沫剂，试验结果如下表1。

表1：不同泡沫剂的泡沫的泌水量、沉降距以及半消时间

　　3.2 发泡方式对泡沫性能的影响

　　目前发泡方式有两种，一是高速搅拌方式，另一种就是采用压缩空气发泡机发泡。本试验对比两种发泡方式考察高性能泡沫剂泡沫的密度变化及发泡倍数。高性能泡沫剂与水以1:10的比例混合，泡沫剂溶液为40℃下进行发泡，分别测定两种发泡方式得到的泡沫的密度随时间变化。试验结果如图2所示。

图2 发泡方式对高性能泡沫剂的泡沫密度随时间变化影响曲线

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　　从图中可以看到，两种发泡方式对泡沫性能有很大影响。高速搅拌方式产生的泡沫密度高达200g/l，而采用空气压缩发泡机发泡得到的泡沫密度只有50g/l。采用高速搅拌方式得到的泡沫含水率高，泌水快，泡沫密度随时间延长快速下降，而采用压缩空气发泡方式的泡沫尺寸均一，细腻，泡沫密度随时间变化小。在试验中还发现通过采用高速搅拌机方式泡沫剂的发泡倍数低，仅为5-8倍，而采用压缩空气方式的发泡倍数高达20倍以上。用同量泡沫剂发泡，采用压缩空气方式发泡能得到更多的稳定的泡沫。因此，采用压缩空气发泡方式是一种既高效又经济的方法。

　　3.3 不同浓度对泡沫性能的影响

　　为了考察泡沫剂溶液浓度对泡沫性能的影响，本试验研究了高性能泡沫剂与水以质量1:10，1:20，1:40比例配置不同浓度泡沫剂溶液的性能。通过空气压缩发泡机发泡方式发泡，泡沫剂溶液温度控制为40℃，测定泡沫密度随时间的变化。

图3 不同浓度高性能泡沫剂溶液的泡沫密度随时间变化曲线

　　从图曲线可以看到，随着稀释比例变大，泡沫剂浓度变小，得到泡沫的密度大，而且泌水快。这是因为随着稀释比例的增加，泡沫溶液粘度下降，泡沫含水多，泡壁上的液体流动性好，造成排液速度加快，这导致了泡沫密度损失快，泡沫泌水快。因此，泡沫剂溶液适当浓度也是影响泡沫性能重要因素。若泡沫剂稀释过大，则制得的泡沫密度大，稳定性差，易泌水破泡；若泡沫剂溶液浓度太高则提高了成本，而且泡沫剂溶液浓度过大使得溶液过粘，则起泡性能差，发泡倍数低。因此，泡沫剂稀释比例越大并不能说明泡沫剂越经济，稀释比例大了，制备出的泡沫密度就大，同样体积的泡沫需要的泡沫液也就越多。应根据实际需要和施工要求确定最佳的泡沫剂稀释浓度。

　　3.4  温度对泡沫性能的影响

　　将不同温度（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃）的高性能泡沫剂溶液（1：10）通过压缩空气发泡制成泡沫，然后测定不同时间的泡沫密度。试验结果图4所示。

图4 不同温度对泡沫密度的影响（发泡机发泡）

　　由图中发现随着泡沫液温度的提高，泡沫密度迅速降低，主要原因是泡沫剂是由具有一定分子量的聚合物组成。聚合物的粘度随温度的提高而降低，流动性变好，随着温度提高，泡沫剂溶液的粘度降低，易于起泡，制得的泡沫尺寸大，因此发泡倍数增大，所形成的泡壁变薄，液膜含溶液的量少，从而泡沫密度也就较低。试验还发现，发泡液温度越高，则泡沫的稳定性越差。这是由于高温发泡液制得的泡沫密度轻，泡壁薄，只要稍微泌水就可能导致泡沫的破灭，同时高温下分子运动剧烈，液体挥发速度快也是造成泡沫破裂的原因之一。

　　这表明，过低的发泡温度得到的泡沫密度较大，泡沫含液量较大，有较多的泡沫液没能转化成泡沫，造成了较大的浪费，同时，发泡温度也不能太高，否则从热力学角度上讲，温度越高则分子运动越剧烈，熵值较高，体系不稳定，容易破泡。

　　4  结语

　　试验结果表明：采用压缩空气发泡机制泡是既高效又经济的方法；浓度大的泡沫液制得的泡沫稳定性要高于低浓度的泡沫液；不同温度泡沫液制得的泡沫有所不同，温度较高的泡沫液制得的泡沫密度较低，而温度低的泡沫液制备出的泡沫密度较大，因此发泡温度不能过低，否则泡沫含液量过大，影响了经济性。但发泡液温度也不能过高，否则泡沫的稳定性将变差。

　　参考文献

　　[1] 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.建筑技术[J],2004,35(10):756-758.

　　[2] 高波，王群力，周孝得.混凝土泡沫剂剂泡沫稳定性的研究.粉煤灰综合利用[J].2004(1):13-16.

　　【作者简介】 罗宁，男，硕士，建筑材料工业技术监督研究中心，主要从事泡沫剂及泡沫混凝土、新型保温材料、防水材料、聚羧酸高效减水剂等外加剂的开发与生产。