一種開關型泡沫的製備方法
2023-04-23 15:36:21 1
一種開關型泡沫的製備方法
【專利摘要】一種CO2/N2開關型泡沫的製備方法，屬於膠體與界面化學領域。這種開關型泡沫由未經任何改性的納米二氧化矽顆粒和一類開關型雙親化合物共同穩定。其中納米二氧化矽顆粒的原生粒徑為20-200nm，使用濃度為0.1％～2.0％(以水相為基準)，開關型雙親化合物為N』-長鏈烷基-N，N-二甲基乙脒類物質，其長鏈烷基總碳原子數為8到18，可以是直鏈或支鏈、飽和或不飽和、含有或不含有苯環的烷基，使用濃度小於其臨界膠束濃度(以水相為基準)。這種開關型泡沫屬於Pickering泡沫，具有超穩定性，通入氮氣(N2)或空氣可以導致消泡，而通入二氧化碳(CO2)則能使發泡劑恢復活性，又能形成穩定的Pickering泡沫。該泡沫因此具有開關性。
【專利說明】一種開關型泡沬的製備方法
【技術領域】
[0001]一種co2/n2開關型泡沫的製備方法，屬於膠體與界面化學【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，開關型雙親化合物引起了人們的廣泛關注。這種雙親化合物可以在「活性」和「非活性」兩種形式之間可逆互換，因此不僅可以人為地控制其表面活性，而且在使用後易於從體系中分離、回收和重複使用，是一種綠色環保型化學品。觸發開關的「扳機」包括溫度、電化學、光化學、以及co2/n2等方案。其中電化學方案依賴於添加化學物質如酸、鹼、氧化劑、還原劑等，易於對應用體系帶來傷害；而光化學方案則易於受到體系如乳狀液不透光的影響；相對而言，通入co2/n2氣體的方案對體系和環境安全，適應性更廣。
[0003]乳狀液和泡沫是表面活性劑的兩個重要應用體系。在許多場合，例如原油的乳化輸送、乳液聚合、泡沫浮選等領域，人們期望它們開始時穩定，而在完成某個使命後變得不穩定，從而簡化體系的處理，有利於減少乳化/發泡劑的用量，或者使其能循環使用。為此近年來開關型乳狀液和開關型泡沫應運而生，吸引了廣大研究者的注意。
[0004]然而對乳狀液和泡沫而言,用雙親化合物或表面活性劑穩定的乳狀液和泡沫屬於熱力學不穩定體系，即它們僅具有有限的的動態穩定性。近年來人們發現，具有雙親性的納米顆粒也能吸附到油/水界面或水/空氣界面，從而穩定乳狀液和泡沫。這種由顆粒穩定的乳狀液和泡沫被稱為Pickering乳狀液和Pickering泡沫。由於顆粒在界面的吸附幾乎是不可逆的，即易於吸附、難以脫附，因此Pickering乳狀液和Pickering泡沫具有超穩定性。
[0005]所謂雙親顆粒是指顆粒表面能同時部分地被水潤溼，部分地被油/空氣潤溼。然而一般的無機納米顆粒如納米二氧化矽、納米碳酸鈣等往往親水性過強，親油性過弱，因而表面活性較差，單獨使用時不易在油/水界面或水/空氣界面聚集，因而不能獲得穩定的Pickering乳狀液或Pickering泡沫。要使它們具有表面活性，通常需要進行表面改性以提高其親油性。另一方面，無機納米顆粒在水介質中往往是帶電的，如果介質中存在微量的帶相反電荷的離子型雙親化合物，則其將通過靜電作用吸附到顆粒/水界面，在顆粒表面形成以頭基朝向顆粒表面、烷基鏈朝向水的單分子層，從而顯著提高顆粒的親油性，即使顆粒具有表面活性。這一過程被稱為原位(in situ)表面活性化，所需的離子型雙親化合物的濃度遠小於其臨界膠束濃度(cmc)，而雙親化合物的表面活性可以很差，例如烷基鏈長< Cltl,它們單獨使用時不能穩定乳狀液或泡沫。
[0006]如果離子型雙親化合物具有開關性，則只有當其處於活性(離子型)狀態時才能吸附到顆粒/水界面，而處於非離子或中性狀態時則不能在顆粒/水界面吸附。於是這種開關性能就能被轉移到顆粒上，相應地可以獲得具有開關型的表面活性納米顆粒，從而可用於製備開關型Pickering乳狀液和Pickering泡沫。
[0007]在201310260158.8(申請號)中我們提出了一種開關型複合乳化劑。在本發明中我們提出這種複合物也可用於製備開關型泡沫。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於提供一種以C02/N2為扳機的開關型Pickering泡沫的製備方法。一方面形成的泡沫具有超穩定性，另一方面當泡沫無需繼續保持穩定時，僅需向發泡液中通入N2或空氣即可使發泡劑失活導致消泡，而如果要使體系恢復發泡能力，僅需再向發泡液中通入CO2氣體即可。
[0009]本發明的技術方案:一種C02/N2開關型泡沫的製備方法，該開關型泡沫由未經任何改性的納米二氧化矽顆粒和一類開關型雙親化合物共同穩定。
[0010]納米二氧化矽顆粒的原生粒徑為20-200nm，在水相中的使用濃度為0.1 %~
2.0%。
[0011]開關型雙親化合物為具有下列結構的N』 -長鏈烷基-N，N-二甲基乙脒類物質，其中長鏈烷基(R)總碳原子數為8到18，更好的是10到16，可以是直鏈的或支鏈的、飽和的或不飽和的、含有或不含有苯環的烷基。下圖示意了這種開關型雙親化合物的開關原理:反應式左邊的脒為非活性形式，以S(Off)-Admidine表示；在冰浴(0_5°C )溫度下S(Off)-Admidine在水介質中結合CO2，轉變為碳酸氫鹽，成為一種陽離子(活性形式)雙親化合物，如反應式右邊所示，以S (on)-Admidinium表示。如果在65°C下通入N2或空氣，則碳酸氫根被除去，S (on) -Admidinium還原為脒,失去表面活性。再於冰浴溫度下通入CO2氣體，則脒又轉變為碳酸氫鹽，成為陽離子雙親化合物，恢復其表面活性。
【權利要求】
1.一種co2/n2開關型泡沫的製備方法，其特徵是該開關型泡沫由未經任何改性的納米二氧化矽顆粒和一類開關型雙親化合物共同穩定。 其中未經任何改性的納米二氧化矽顆粒的原生粒徑為20-200nm，以水相為基準的使用濃度(質量分數)為0.開關型雙親化合物為N』-長鏈烷基-N，N-二甲基乙脒類物質:
此類物質打開後，即在水介質中結合二氧化碳(CO2),變成碳酸氫鹽，是一種陽離子型表面活性劑或雙親化合物(S(on)-Admidinium)，具有表面活性；但關閉後，即在水介質中鼓入氮氣(N2)或空氣，又轉變為中性的脒類物質(S(OfT)-Admidine),不具有表面活性。此種開關型雙親化合物的長鏈烷基總碳原子數為8到18，可以是直鏈的或支鏈的、飽和的或不飽和的、含有或不含有苯環的烷基。開關型雙親化合物的使用濃度一般不超過其臨界膠束濃度，通常在lX10_6mol L-1~lX10_2mol L-1 (以水相為基準)範圍內。
2.根據權利要求1中所述的泡沫，屬於開關型Pickering泡沫，在打開狀態下該泡沫具有超穩定性；在關閉狀態下，即在65°C下向發泡液中通入N2或空氣，可導致發泡劑失活和消泡；再於冰浴溫度(0_5°C )下向發泡液中通入CO2，又可使發泡劑恢復活性，即重新打開泡沫，形成穩定的Pickering泡沫。
【文檔編號】B01J13/00GK104069781SQ201410280418
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月23日 優先權日:2014年6月23日
【發明者】崔正剛, 朱玥, 蔣建中, 裴曉梅, 宋冰蕾 申請人:江南大學