泡作り/実用的な界面活性剤科学/教授スティーブン*アボット

泡作り

それは泡を作ることは自明に簡単です-ちょうどいくつかのエネルギーと空気と液体を混合し、泡が形成されます。 これらの気泡が0.1〜0.2の範囲の液体画分γで表面に到達すると、それらはクーゲルシャウムである（「クーゲル」は「球」を意味し、「schaum」は泡を意味する）。 これらのフォームは、実際にこれらのアプリでは考慮されていません。 When<0の場合。1それから私達にpolyederschaum（polyhedral）、実用的な泡の中心心配である古典的な泡があります。 泡を作るのは簡単ですが、ほとんどの場合、それは完全に不安定です。 だから、泡を作ることの問題は、それらをどのように作るか（それは些細なことです）ではなく、それらを安定させる方法（そうではありません）です。 AntiFoamセクションでは、安定した泡を不安定にする方法についてさらに困難な問題について説明します。基本で述べたように、フォームを作成するために必要なエネルギーは、表面張力、λに反比例します。

低い表面張力は確かに役立ちますが、γが40（「悪い」界面活性剤）から20Mn/m（「非常に良い」界面活性剤）に変化すると、必要なエネルギーが半分になりますが、そ 必要に応じて低μを考慮してください（結局のところ、純粋な水は泡を形成することはできません）が、十分ではありません。 だから、何が必要ですか？

1. 弾力性。 界面活性剤がフォームを作成するのに役立つ最初の理由は、表面が弾性になることです。 これは、気泡がぶつかり、圧迫され、変形するのに耐えることができることを意味する。 純粋な水面にはそのような弾力性がなく、泡はすぐに壊れます。 それはまたより多くの伸縮性を作り出すそれらのシステムが（伸縮性セクションを見なさい）、等しい他の事が、より安定した泡立つ作り出すことを意 レオロジーのセクションで説明されているように、一般に、剛性と弾性の両方の壁は、押し力に抵抗するより大きな能力を備えた泡を提供し、したがって、 小さい気泡はまた、より高い降伏応力を与える
2. 分離圧力。 界面活性剤が泡を作るのを助ける第二の理由は、泡壁内の液体が自然に壁から端部に吸い出されることである。 これは排水とは何の関係もありません（排水で説明されているように、壁には液体の無関係な部分が含まれています）、それは単純な毛細管現象です。 毛細管圧力は、反対圧力（「分離圧力」）がそれに対して作用しない限り、液体を引き出し続ける。 これは、壁のいずれかの側の界面活性剤上の電荷によって、および／または界面活性剤鎖間の立体的相互作用によって生成することができる。 これらの効果はDLVOで議論されていますが、電荷効果は立体効果の小さな距離（5nm）に比べて大きな距離（50nm）で動作するため、一般的にイオン性界面活性剤は安定した泡を生成するのにはるかに優れています。
3. 熟成に対する耐性。 Ostwald熟成効果は、小さな泡が収縮し、大きな泡が成長することを意味します。 Ostwaldセクションが示すように、これは部分的にガスによって制御されます（CO2は急速に崩壊し、空気/N2は遅く、C2F6ははるかに遅くなります）が、表面の界面活性剤の”壁”が提供するガス拡散に対する障壁がどれほど優れているかによっても制御されます。
4. 排水に対する耐性。 泡の周りの水が多いほど、（一般的に）それが損傷する危険性が低くなります。 だから、すぐに排水する泡が破損する可能性が高くなります。 私たちが見るように、排水に抵抗するには、高粘度と小さな泡が必要ですが、界面活性剤の壁は、より硬い壁が（通常は）排水を遅くする排水プロセスに
5. 欠陥に対する耐性。 油または疎水性粒子が泡の壁に浸透することができれば、それは壁（したがって泡）を破壊させる可能性があります。 エントリ、ブリッジおよび拡散係数のもっともらしいと単純な理論（AntiFoamsで議論）がありますが、彼らは限られた予測値であることが判明しました。 もう一度、彼らは必要ですが、十分ではありません。 重要な問題は、エントリの障壁です。 これが高いとき泡は欠陥に対して抵抗力がある。

これらの原則はとても簡単ですが、泡を効率的に作成するのは驚くほど難しいです。 どうして？ 重要な問題はタイムスケールです。 界面活性剤がすばらしく伸縮性があり、強いdisjoing圧力があり、よいガス障壁で、そして高い記入項目の障壁があれば液体/空気インターフェイスに達し、強い抵抗力がある範囲を形作るには余りにも時間がかかるので泡を形作ることを失敗するかもしれません従って泡は既に崩壊しました。 一方では、十分な伸縮性およびdisjoing圧力を作成するためにすぐに表面に達する界面活性剤は大量の泡を作り出す-泡は手から洗浄されるグリースのような油性不純物の前で、特にすぐに崩壊するけれども。 これは動的表面張力の問題につながります。

これは、動的表面張力の問題につながります。

それは完全にDSTの複雑さを説明し、したがって、あなたが最速の可能な発泡挙動を与えるためにSTの非常に急速な減少と混合物を生成することがで しかし、文献の私の読書は、理論を介して行動を記述しようとするよりも、（最も通常は）最大気泡圧力装置（異なるタイムスケールにわたって気泡を作 特に、DSTが拡散によって制限されるかどうか、バリアエントリによって、および/または界面に入る前にミセルから出てくる必要性によって制限されるかどうかについての大きな議論があります。 Eastoe1による優れたレビューの私の読書は、単純な拡散が支配的であり、ミセルから分割する界面活性剤分子のタイムスケールは、ミセルの形成/崩壊のタイムスケールが非常に遅いにもかかわらず、非常に高速であるため、ミセルの存在は主に違いを生じないということです。 もちろん、参入障壁の実際のケースとミセル制限拡散の実際のケースを見つけることができます。 しかし、それはさらに複雑です。 U.Sofiaの広範な分析は、ミセルを含む系には4つの可能な結果があることを示しており、そのうちの二つは単純な拡散速度論と区別できず、そのうちの二つは障壁速度論と混同される可能性がある。 最後に，界面活性剤中の少量の不純物の影響からエントリーバリア効果とミセル効果を区別することは驚くほど困難であり，市販の未精製界面活性剤を用いた実用的な処方者にとっては，ＤＳＴ曲線の微妙さを理解することはほとんど期待されていない。 持ち帰りのメッセージは、「DSTを測定せずにフォームを定式化しないでくださいが、特定の界面活性剤の組み合わせで優れた結果が得られる理由を理論化するのにあまりにも多くの時間を費やさないでください。”私は通常、良いモデルが多くの実験室実験を避けるための最良の方法であることを見つけるようなアドバイスを書くのは好きではありません。 しかし、以下で説明する2020年のレビュー論文には、関連する理論に関するマスタークラスが含まれており、「理論は実際には役に立たない-DSTsを測定するだけ」と結論づけています。

厳しい現実は、成功した発泡剤は混合物である傾向があり、それらが誘発するすべての複雑さがあるということです。 ユビキタスSLES/CAPB（ラウレス硫酸ナトリウム/ココアミドプロピルベタイン）混合物は、2つの優れた高速発泡体から作られることを起こる。 CAPBはそれ自体で多くの安定した泡を生成するが、かなり高価である。 CAPBは高い記入項目の障壁の作成で特によい従って泡の作成の間にオイルに対して抵抗力がある。 SLESはそれ自身で多くの比較的不安定な泡を生成する。 2つの組合せは費用、泡および安定性のよいバランスを提供します。 しかし、ラウリン酸またはミリスチン酸のわずかな％を添加することは、泡の安定性に劇的な効果をもたらす。 それは伸縮性を高めますが、また泡成長（Ostwaldの熟すこと）を劇的に減速します、従って泡は小さい残ります。 これは、泡から排水する水の能力に大きな影響を与えます-排水速度はDiameter2として進みます-そして、より乾燥した泡は、より簡単に（他のものが等しい）、そ 長鎖酸自体は発泡剤としては役に立たない（ナトリウム塩は一般的な石鹸のように適度な発泡能力であり、硬水によって容易に難破する）。 SLES/CAPB/Long-chainAcidの組合せは小さい泡および長い寿命と泡を作成するための有効な組合せである。 確かに、ハンドソープをシェービングフォームに変換する簡単な方法は、長鎖酸の数％を追加することです。 しかし、私の界面活性剤システムはどうですか？

良い、安定した泡を作成するためのルール（または、実際には、そのような泡が作成されていないことを確認するためのルール）は、シンプルで明確です。

では、なぜ新しい泡の処方を作るのが難しいのですか？ 答えは、すべての基本を測定するための適切なセットアップがあれば: CMC、Σ M、disjoining圧力vのフィルム厚さ、界面伸縮性および記入項目の障壁それからあなたが使用したいと思うことを起こる泡のブスターおよび界面活性剤 測定は主として自動化することができる従って公式の組合せの多くはすぐに選別することができる。 一つの問題は、上記のように、タイムスケールです。 ほとんどの測定は比較的長い時間の後になされる従って界面活性剤のブレンドの適切な部分がより遅い部品がより堅い界面活性剤の層を形作るために着くと同時に安定するようになる泡を作成するには十分に速く表面に得るかどうか見る余分時間依存した実験を必要とする。 他の問題は、共界面活性剤、発泡ブースターなどの少量の添加である。 大きい違いを生じることができます従って多数のサンプルの測定を遂行することは必要です。 多くのハイスループットスクリーニングを行うように設定されたロボットラボは、多くのハードワークを行うことができますが、使用のほとんどは、そのようなラボへのアクセス権を持っていません。より長期的には、成分の混合物の界面挙動を予測できる理論は、泡の開発をはるかに合理的にするだろう。

しかし、そのような理論は長い道のりのようです。私はこのページを2014-15年に書いたので、2020年まで更新する理由はありませんでした。 私の驚いたことに、私が書いたことは時間の試練に立っていました。 私はここで読者を参照するDST文以外の前のテキストを変更していません。 しかし、実験と理論の深刻な量に裏打ちされた見事なreview2は、私たちはもう少し具体的にすることができます。 再び、5つの重要な点で状況を明らかにしたのは、Tcholakova教授が率いるSofiaのチームです。

1. 非イオニクスとイオニクスの両方が優れた発泡を生成することができますが、非イオニクスは、彼らがよく泡立つ前に、インターフェイスの全表面被覆率の95％以上（150mN/m以上のギブス弾性を有する）である必要があります-それは一種のオールオアナッシングです。 Ionicsは表面の適用範囲の30%で確実な泡を作り出し始めることができます（ちょうど50mN/mのGibbsの伸縮性と）、100%に向かうと同時に生産の安定した増加とのa。 理由は明確です:泡インターフェイスの立体安定はほぼ完全な適用範囲があるときだけ、よく働きます;適用範囲に5%のギャップがあればインターフェイスは容易に壊れることができます。 充電安定化ionicsははるかに寛容です。
2. 界面活性剤が表面被覆率を生成する速度は重要です。
3. 界面活性剤が表面被覆率を生成する速度は重要です。 基本的に、彼らはmsの数10秒でインターフェイスに到達した場合、あなたは簡単に良い泡の多くを得るでしょう。 この速度は、2020年の理論/実験で容易に抽出できるような濃度、CMC、表面移動度、塩濃度に依存します（複雑さのヒントについては、DST-Choiceを参照し、論文内の理論のマスタークラスを読んでください。 これはある意味では悲しいですが、別のものでは解放されます。 ちょうど10msタイムスケールで動的表面張力を測定し、表面張力の大きい減少を見つけるまで公式を微調整しなさい。 典型的な最大気泡圧力張力計では、この10msのタイムスケールは-300msで測定されます（任意のMBPTデバイスには固定係数があります）。300msの気泡の実際の年齢は10msしかないためです。ソフィアの学校の伝統は、測定された時間（例えば300ms）tageと科学的時間（例えば10ms）tuを普遍的なものと呼ぶことです。
4. 短いタイムスケールでの泡（この論文では、測定シリンダーの10揺れ）は、必ずしも長いタイムスケール（100揺れ）後の発泡の信頼できるガイドではありません。 より速く作用する界面活性剤は、驚くことではないが、短いタイムスケールでより多くの泡を与えるが、より遅いものは追いつくことができる。 次の点で議論されているように、発泡体は自己制限的である傾向があるので、初期の利点は必ずしも長期的な利点につながるわけではありません。 当然、パーソナルケアのような適用のために、速い泡立つことは条件である従って性能のこの相違は重要である。 ポイントは、異なる種類の制限要因を区別するように注意する必要があるということです。
5. これは論文の中で示唆されているだけですが、他のSofiaの仕事にリンクされており、より多くの公開された結果が約束されています。 泡の量と安定性は、独自の製造方法によって制限されます。 より多くの泡を作るためには、一般的に小さな泡がたくさん必要です。 これらは、空気やスカッシュをトラップすることができるどのような力によって作成され、または気泡を剪断するので、それらは小さくなります。 泡がより小さな泡でより豊かになるにつれて、それはより粘性になる（1/半径に応じて、泡のレオロジーを参照）ので、ある時点で力は泡をより小さなものに変形させるのに十分な大きさではない。 その効果は界面の剛性と、したがって界面活性剤に多少依存しますが、それは主に最初に細かい泡を作り出す能力、すなわち界面安定性とそれに達す これが、前の2つの要件を満たすのに十分な濃度で存在する限り、多くの界面活性剤が同様の量の泡を生成することができる理由である。 他の泡の論文をたくさん振り返ってみると、likeはlikeと比較されていなかったので、原因と結果の混乱がたくさんあることがわかります。 そして、我々はこのサイト上の他のアプリを持っているため、泡の安定性、上の（当然）別の焦点があるので。
6. その不純物がデータにかなり興味深いことに現れるので、チームは意図的に”現状のまま”界面活性剤を使用しました。 ％の表面被覆率の測定は、もちろん、吸着等温線CMCとΓから来ており、これらはしばしば他の成分の低レベルのために奇妙な挙動を示す。 これは一般的に私たちを気にしません、界面活性剤は彼らが何であるかですが、それはあなたが表面被覆の50％または60％を持っているかどうか、例えば、知

発泡技術

私は一般的に異なる発泡技術にはほとんど注意を払っていませんでしたが、泡が自己制限されていることについての前のセク

1. シリンダーを振っています。 たとえば、10mlの溶液を130mlの測定シリンダーに入れ、それを振動させ、所定の数の揺れの後に泡の量をチェックします。 あなたが90％の閉じ込められた空気を得るならば、あなたは100mlにいるので、あなたが91、92を持っているかどうかを見つけます。.. 130mlのシリンダーでトリッキーになります。 私の印象は、この種の泡は比較的粗いということですが、私は間違っているかもしれません
2. Ross-Miles。 高いシリンダーの底にテスト解決を置いて下さい。 今滴下上からソリューションの多くを追加します。 下の液体にぶつかる滴は泡を生成します。 添加の終わりに体積を測定し、その後、安定性のために、数分後に体積を測定する。 驚くべきことに、これは業界標準のテストです。
3. ブレンダー。 ちょうど大きなブレンダーを取得し、ブレードをカバーするのに十分な液体に入れて。 Whizzは測定シリンダーに内容を注ぐことによって容積を測定し。 これを行うことができるという事実は、細かい泡が注ぐのが難しいので、泡がかなり粗いことを示唆している。.
4. 惑星ミキサー。 ワイヤー泡立て器でケンウッドシェフまたは同等のものを取り、他の軸上を移動しながら、泡立て器がその軸をオンにすると何が起こるかを見 Sofiaグループの論文は、泡が最初に空気を閉じ込めた表面波を押しつぶすのに十分な厚さになると、明確な自己制限効果を示すので、これはより細かい泡
5. スパージング列。 あなたの泡立つ解決を含んでいるコラムの底のフリットを通して空気を吹きなさい。 あなたは泡の安定した高さから泡立ちと安定性のいくつかのアイデアを得る、および/またはあなたが与えられた時間内に上に来る泡の重量を測定 より多くの細部は泡の分別のページで利用できる。
6. マイクロ泡テスト。 私はかつて界面活性剤のmgと溶液のμ lを使用して発泡性を測定しなければならなかった。 これは、マイクロ力価プレート内の溶液に非常に微細なシリンジ針を通って吹く空気の安定した流れで行うことが非常に容易であった。 これは、低、中、高発泡体と短、中、長寿命の発泡体を区別するための非常に優れた高スループット技術（これが私たちが開発した理由です）です。 それは粗野ですが、驚くほど効果的です。
7. 圧縮空気フォーム。 いくつかの高圧空気と界面活性剤溶液を混合し、それが行くように拡大し、パイプを下に移動してみましょう、と炎の中で、例えば、石油貯蔵容器の上に破 私はかつてそのような泡の理論を必要とし、理論をパラメータ化するためにいくつかの測定を必要とした消火プロジェクトのためのアプリを書いた。 残念ながら、フルサイズのテストリグでのライブ実験は、テストのいずれかの間にリグが焼失したために失敗しました。..
8. エアロゾル発泡体。 これは、以前のものの変形であり、より小さなスケールである。 缶（典型的には炭化水素ガス混合物）中の推進剤は、界面活性剤混合物に美しく混合されるので、突然膨張すると微細な泡の塊を生成する。 典型的な例は表面にとどまる高い粘着性および降伏圧力があるために良くなければならない剃る泡である。
9. 手をこすります。 私は泡立つことが洗濯の面で重要ではないことを知っています-それに対する渇望は物理学ではなく心理的なものです。 だから私は想像力豊かな手の摩擦でどれだけの泡を作り出すことができるかを見て気にしませんでした。 それはかなりたくさんありますが、私の見解では努力する価値はありません。
10. シェービングブラシ。 私はシェービングブラシを理解していなかった。 彼らは泡の興味深い量を生成しなかったし、ちょうど私の顔の上に石鹸を広げる複雑な方法に見えました。 しかし、私はそれを行う方法を学ぶことを気にしませんでした。 あなたが手に濡れた石鹸の塊の上に泡立てると、何も起こっていないようです。 それはすべての泡がブラシの中にあるからです。 ちょうどどのような方法でブラシを絞ると、顔に置くのに最適な非常に細かい、安定した泡の塊が出てきます。 私は非常に感銘を受けました。
11. 発泡ネット。 細かいネットの数cmを取り、濡れた石鹸であなたの手の間でそれを強くこする。 シェービングブラシと同様に、あなたが何をしようとしているのかわからない場合は、何も起こりません。 あなたの指の間にネットを引っ張ると、大量の泡が出てきます。 これを数回繰り返すと、素晴らしい量の上質で安定した泡が得られます。 細かいネットは、より大きな気泡をより小さな気泡に分割するのに明らかに優れています。 誰もが泡の泡のこの質量を作成するために自分の時間を費やすことを気にする理由は、私が答える資格がある質問ではありません。
12. キーパラメータの測定値。
    • 明らかに泡の高さ、適切な場合、および容器の底部の液体の量に対する全高さの比、およびこれが時間の経過とともにどのように変化するか。
    • 実験で使用された水の導電率で校正された既知のギャップを横切る導電率計は、空気の体積分率の良いアイデアを提供します。
    • 大きなプリズムを泡に接触させ、光を入れたり出したりします。 ビデオは、水（白）と空気（黒）との接触の間に強いコントラストを示し、それはその後、泡を測定するために画像解析を使用することは簡単です。 実験は、プリズムがフォーム自体に驚くほど小さな摂動を持っていることを示しているので、測定は関連しています。 壁と残りの部分の間に信頼性の高い良好なコントラストがほとんどないので、自由な泡の画像から良好な画像解析を得ることは非常に困難です。

オイルフォーム

オイルで泡を作ることができないことは明らかです。 オイルの表面張力は低く、界面活性剤は多くの違いを生じることができないし、従って重大な伸縮性の安定化の効果は操作に入って来ることができ これは、一般的に単純な炭化水素油に当てはまります。 これらの中で発泡体を生成するには、特定の界面活性剤（mono-Myristylglycerateなど）のlyotropic相やhydrophobised silicas（Google ScholarでBinksを検索）などの巧妙な微粒子トリックを使用する必要があります。 しかし、実際の石油産業は発泡体に大きな問題を抱えており、特定の原油ごとに消泡剤を見つけることの芸術/科学は大きな課題です。 なぜ多くの原油が泡立つのですか？

これの最も明確な科学的記述は、Bp3のCallaghanと同僚の仕事から来ています。

これについての最も明確な科学的記述は、 彼らは、広範囲の油からすべての酸性成分を慎重に抽出し（これらは典型的には0.02重量％しか表されない）、油が（a）弾力性を示さず、（b）発泡性を示さないこ それらが非泡オイルに戻ってエキスを加えたら伸縮性および泡立つことは両方戻りました。 酸はドデカン酸のような単純な長鎖アルカン酸であった。 この論文では原油の表面張力は記録されていませんでしたが、他の論文では低30mn/mで典型的な値を示していますが、単純な界面活性剤または消泡剤の添加によって20代半ばまで減少させることができます。 これは大きな減少ではなく、したがって、弾性効果は大きくすることはできません。 但し、原油で圧力は非常に高い場合もあります従って原油が大気圧に達するとき泡立つことは非常に激しい場合もあります従って非常に強いsurfactancy

他のタイプの泡安定化に戻ると、原油は通常、空気/油界面で容易に結晶化/クラスター化し、そのように発泡を提供することができるアスファルトの存在 そして、私達が見るように、泡安定性は多くのオイルが容易に供給できる高い粘着性によって非常に高められます。 しかし、何も単純ではありません：アスファルトは、彼らが（定義上）可溶性であるトルエン中で発泡を生成することができる非常に控えめな界面活性剤であることが示されています。

消防フォーム

これは巨大な主題です。 ここで提起された唯一の点は、油/ガソリン火災の場合、界面活性剤は泡の中の水で油を乳化させるのに適してはならないということです。 従って標準理論はシステムが実際にfluorosurfactantsとしか達成することができない大きい”広がり係数”を必要とすることを示す(Antifoamセクションを見なさい)。 このようなフォームは、巨大な炎を介して噴射され、燃焼液体の表面にうまく着陸するのに驚くほど優れています（多くの驚いたことに、その沸点では”のみ”であり、超高温ではありません）。 実際に強い泡のために蛋白質の界面活性剤を加えることはよい考えである-泡を行くことおよび時間後にインターフェイスに達し、全体の事を非常に固体にする遅い蛋白質を得る正常で速い界面活性剤の速く/遅い組合せの一部として通常。 またある高いMWtポリマーは非極性の火でまた慣習的な泡が液体と余りに互換性があるかもしれない北極の火で働く1つを意味する泡を形作るAR-AFFFしかし、fluorosurfactants（一見避けられない、正当化できるかどうか）から離れるにつれて、私の見解は、標準的な界面活性剤で作成されたLRLPフォーム、低半径、低透磁率を作成す 泡のレオロジー、排水を探検すれば、ostwaldの熟すことは小さい半径がより堅く、より堅い泡立つことを見る。 従ってより小さい泡によって泡の寿命を得ることができます。 そしてミリスチン酸を加えることのようなトリックと、インターフェイスをより堅くさせることによって泡を低い透磁率にさせることができます。 これは暖かい蒸気が再発火するそれらの危険を減らす泡を通って動くことができる率を減らすのを助ける。