基于界面剪切流变学探讨含氨基酸基表面活性剂与明胶水体系中泡沫稳定性的研究

《Langmuir》：Foam Stability in Aqueous Systems Containing an Amino Acid-Based Surfactant and Gelatin: An Interfacial Shear Rheology Perspective

为了解决传统泡沫体系稳定性差的问题，研究人员通过界面剪切流变学技术，探究了阴离子氨基酸基表面活性剂与两性离子聚电解质明胶复配体系的界面膜流变特性。研究表明，在特定配比下，界面凝胶化形成的弹性主导膜能显著抑制排液和气泡聚并，从而极大提升泡沫稳定性。该研究为预测和调控复杂工业泡沫体系的长期稳定性提供了新视角。

　　

泡沫，这种充满气体的梦幻结构，在我们的日常生活中无处不在，从清晨的咖啡拉花、洁面慕斯到消防灭火剂和食品加工，都离不开它的身影。然而，泡沫本质上是一种热力学不稳定体系，其“寿命”往往短暂，会通过多种机制迅速瓦解，例如气泡间的气体扩散（奥斯特瓦尔德熟化，Ostwald ripening）、液膜排液（drainage）以及气泡聚并（coalescence）。如何获得长期稳定的泡沫，一直是食品、化妆品、油气开采和材料科学等领域面临的共性挑战。传统上，研究者们常依赖于界面膨胀流变学（interfacial dilational rheology）来表征界面膜的机械性能，并将其与泡沫稳定性相关联。但对于一些形成混浊、粘稠或厚界面膜的复杂体系，如表面活性剂与高分子聚合物的复配物，该技术往往力不从心。因此，开发一种能直接、有效地评估此类复杂界面流变性质，并能可靠预测其泡沫稳定性的方法，具有重要的科学意义和应用价值。

本研究聚焦于一种阴离子氨基酸基表面活性剂（N-十二酰基谷氨酸，N-dodecanoylglutamic acid）与一种两性离子聚电解质（明胶，gelatin）组成的水性混合体系。这两种物质在溶液中可形成复合物，并吸附在气液界面，有望形成具有特殊流变性的厚膜。研究团队的核心目标是阐明该混合体系的界面剪切流变特性，并揭示其与泡沫稳定性之间的内在联系。为此，他们系统开展了静态表面张力测定、泡沫稳定性视觉评估、动态泡沫形态分析以及界面剪切流变测量。该研究为解决复杂体系的泡沫稳定性预测难题提供了新的实验视角和有力工具，相关成果发表在《Langmuir》期刊。

为了开展研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：1. 使用带铂金板的Wilhelmy法自动表面张力仪进行静态表面张力测量。2. 通过手动剧烈摇晃样品管并记录24小时前后泡沫高度的视觉观察法评估泡沫稳定性。3. 利用动态泡沫分析仪，通过CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合元件）相机持续监测气泡形态。4. 采用配备双锥型测量夹具的流变仪进行界面剪切流变学频率扫描测量，在恒定应变下获取界面剪切储能模量（G′）和损耗模量（G″），并通过求解纳维-斯托克斯方程结合Boussinesq-Scri边界条件计算模量值。

表面张力

研究发现，在固定明胶浓度下，混合体系的表面张力随表面活性剂浓度增加呈阶梯式下降，而非单一表面活性剂体系的平滑下降。这表明表面活性剂-明胶复合物在气液界面上发生了吸附。在pH 7时，由于带负电的表面活性剂与带正电的明胶（在其等电点以下）之间的静电吸引，复合物的吸附更紧密，表面张力更低。在中等浓度区域，溶液呈现浑浊，暗示有凝聚层形成。

泡沫稳定性

泡沫稳定性评估显示，在pH 7、表面活性剂浓度为5 mmol/dm³、明胶浓度为0.5%时，体系泡沫稳定性最高。动态泡沫分析图像证实，在此条件下，细小而紧密堆积的湿泡沫可维持长达60分钟，有效抵抗了排液和聚并。相比之下，高表面活性剂浓度下则形成了松散、多边形的干泡沫，稳定性下降。整体上，降低pH（即增加静电相互作用）有助于提升泡沫稳定性。

界面剪切流变学

这是本研究的核心。在单一表面活性剂体系中，界面表现为纯粘性流体。而在添加明胶的混合体系中，在表面活性剂浓度为5、8、12 mmol/dm³时，测得了显著的G′和G″值，且G′普遍大于G″，表明界面膜呈现弹性主导的粘弹性行为。特别值得注意的是，在表面活性剂浓度为5 mmol/dm³时，G′和G″达到最大值，而损耗因子（tan δ = G″/G′）达到最小值。这表明此时形成了最具弹性、类似凝胶的界面膜，即发生了“界面凝胶化”。这一流变学上的最强响应点，恰好对应了泡沫稳定性的峰值，从机理上将高界面弹性与优异的泡沫稳定性关联起来。进一步研究pH影响发现，降低pH能增强界面的弹性响应，这与更低的表面张力和更高的泡沫稳定性观察结果一致。

研究结论与意义

本项研究通过界面剪切流变学测量，清晰地揭示了阴离子氨基酸基表面活性剂与明胶复配体系在气液界面形成粘弹性膜的机制。核心结论是，在特定配比（表面活性剂5 mmol/dm³，明胶0.5%， pH 7）下，相反电荷组分之间发生了界面凝胶化，形成了弹性主导的凝胶状界面膜。这种高弹性的界面膜能有效抑制液膜排液和气泡聚并，从而显著提升泡沫稳定性。降低pH可促进这种弹性响应，进一步增强稳定性。该研究成功地将界面剪切流变学参数（特别是G′和tan δ）与宏观泡沫稳定性直接关联，为预测泡沫长期稳定性提供了关键的力学指标。

本研究的意义在于，它展示了双锥型夹具界面剪切流变学技术在评估复杂、浑浊或易形成厚界面膜体系方面的独特优势。与界面膨胀流变学相比，该方法能够更直接地分离和表征界面膜的二维力学性能，尤其适用于传统方法难以应对的体系。因此，这项研究不仅深化了对表面活性剂-高分子复合体系稳定泡沫机理的理解，更为工业上设计和优化高性能、长寿命泡沫产品（如食品、个人护理品、泡沫浮选等）提供了一种实用、可靠的表征和预测工具。