1、 毕 业 设 计（论文）题 目：改性 SiO2 纳米颗粒对水基泡沫稳定性影响的研究专业班级：材料物理 毕业设计(论文)改性 SiO2 纳米颗粒对水基泡沫稳定性影响的研究摘 要本文通过观察泡沫体积的衰减过程，以泡沫半衰期作为衡量泡沫稳定性的方式，考察了 SDS、CTAB 和 C12E5 三种表面活性剂的种类和浓度等因素对泡沫稳定性的影响规律和及各自稳定泡沫的机制。在此基础上，本文对 SiO2 纳米颗粒进行了表面疏水化修饰，将改性后的 SiO2 纳米颗粒和表面活性剂以 1：1 比例配置成不同浓度的溶液，研究了 SiO2 纳米颗粒的尺寸以及修饰方式等因素对泡沫稳定性的影响规律和机理。结果显示不同种类
2、的表面活性剂与 SiO2 纳米颗粒协同作用对泡沫稳定性的影响规律不同，表面疏水化改性后的 SiO2 纳米颗粒与 C12E5 共用时，泡沫的稳定性会下降，与 SDS 和CTAB 协同作用时，能够有效提高泡沫稳定性。总体而言，复配体系浓度在临界胶束浓度时，泡沫的稳定性最好，在浓度不变的情况下，增大 SiO2 纳米颗粒的尺寸，会使得泡沫稳定性变差。关键词：泡沫；稳定性；表面活性剂；表面张力；SiO 2 纳米颗粒毕业设计(论文)Study on the effect of modified SiO2 nanoparticles on the stability of water-based foamA
3、bstractIn this paper, by observing the decay process of the foam volume, and using the foam half-life as a measure of the stability of the foam, this article examines the influence of the types and concentrations of three surfactants, SDS, CTAB, and C12E5 on the foam stability and their respective p
4、rinciples. On this basis, the SiO2 nanoparticles were surface-hydrophobized, and the modified SiO2 nanoparticles and surfactants were prepared in 1:1 ratios into solutions of different concentrations. The results showed that different surfactants and SiO2 nanoparticles had different effects on foam
5、stability. When the surface hydrophobic modified SiO2 nanoparticles share with C12E5, the stability of the foam will decrease, but combined with SDS and CTAB, the foam stability can be improved effectively. In general, the foam stability is best when the concentration of the complex system is at the
6、 critical micelle concentration, Under the condition of constant concentration, increasing the size of SiO2 nanoparticles will result in poor foam stability.Keywords：Foam；stability；Surfactant；Interfacial tension；SiO 2 nanoparticles毕业设计(论文)目 录第 1 章 绪论 .11.1 引言 .11.2 表面活性剂简介 .11.2.1 表面活性剂的定义 .11.2.2 表
7、面活性剂的种类和应用 .21.2.3 表面活性剂的基本性质 .31.2.4 临界胶束浓度 .31.3 泡沫简介 .41.3.1 泡沫的结构和形成 .41.3.2 泡沫的衰变机理 .51.4 SiO2 纳米颗粒简介 .51.4.1 SiO2 纳米颗粒稳定泡沫的优势 .51.4.2 SiO2 纳米颗粒的稳泡机理 .61.4.3 SiO2 纳米颗粒稳泡的影响因素 .61.5 研究内容 .8第 2 章 单一表面活性剂对泡沫稳定性影响规律的研究 .92.1 实验材料及实验仪器 .92.1.1 实验材料 .92.1.2 实验仪器及装置 .92.2 单一表面活性剂泡沫液的泡沫半衰期测量 .102.3 单一表
8、面活性剂泡沫液表面张力的测量 .102.4 泡沫衰变过程的形态记录 .112.5 结果与讨论 .112.5.1 单一表面活性剂浓度与泡沫半衰期和表面张力的关系分析 .112.5.2 泡沫形态随时间的变化 .142.6 本章小结 .16第 3 章 表面改性 SiO2 对泡沫稳定性影响规律的研究 .17毕业设计(论文)3.1 实验材料 .173.2 纳米 SiO2 的疏水化修饰及表征 .173.2.1 纳米 SiO2 的疏水化修饰 .173.2.1 表面改性纳米 SiO2 的表征 .183.3 改性 SiO2 对泡沫稳定性的影响研究 .183.4 结果与讨论 .183.4.1 疏水化修饰后纳米 S
9、iO2 的红外光谱 .183.4.2 改性 SiO2 与 SDS 协同作用对泡沫稳定性的影响规律 .193.4.2 改性 SiO2 与 CTAB 协同作用对泡沫稳定性的影响规律 .213.4.3 改性 SiO2 与 C12E5 协同作用对泡沫稳定性的影响规律 .233.5 本章小结 .25第 4 章 结论 .26致 谢 .27参考文献 .28第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言泡沫和表面活性剂被广泛应用于日常生活和工业生产的许多领域，日常生活中比较常见的作用是去除污垢、洗涤的作用，而更多的诸如增溶、分散、防腐、等一系列物理化学作用主要覆盖在精细化工领域，此外，三次采油中也经常使用泡沫
10、驱的方法 1-7，多分散泡沫体系普遍存在的缺点是稳定性差。表面活性剂分子可以把具有亲水性质的基团伸入水相，具有疏水性质的基团伸入气泡的气相，因此会以双分子层的形态吸附在泡沫膜上 8-10；从而增强泡沫的稳定性。但是面对实际工业生产中的多种要求，如果仅使用表面活性剂来稳泡就会存在很大的局限性，例如用于驱油时，地层中的高温、高盐等恶劣的环境使得泡沫稳定性受到很大的影响，再者，表面活性剂分子在高温等条件下也有可能分解破坏，因此就需要添加其他的稳泡剂和表面活性剂协同作用来增强泡沫的稳定性。比较常见的是一些以聚合物为主要成分的稳泡剂，但此类稳泡剂也存在一些的缺点，在高温、高压的地层环境中，聚合物分子很容
11、易分解成多种化合物，不仅影响使用效率，残留下的分解产物也会污染地层。纳米 SiO2 是一种新型有效的稳泡剂，它的性能优异并且能适应许多传统稳泡剂不能适应的苛刻的条件，因此现在越来越多被应用在生产生活中。本文首先围绕单一表面活性剂体系的泡沫进行了一系列的研究，对表面活性剂种类和浓度对泡沫稳定性、表面张力以及液膜结构产生的影响及其机制有了明确的认识，然后将不同尺寸纳米SiO2 颗粒进行一定改性，使其表面修饰上具有疏水性质的基团，后将改性后的 SiO2 与表面活性剂复配为起泡液，探究采用的改性纳米 SiO2 颗粒的尺寸和体系浓度对复配体系泡沫稳定性的影响规律及其机制。1.2 表面活性剂简介1.2.1
12、 表面活性剂的定义表面活性剂分子的特点是分子一头带有亲水基团另一头带有亲油基团（疏水基团），因而其是一种具有双亲性的分子，但是，并不是所有具有这种双亲的结构的分子都可以作为表面活性剂，一般还要满足碳氢链长度大于 8 小于 20 的条件才可以作为表面活性剂 11。第 1 章 绪论21.2.2 表面活性剂的种类和应用目前有数种方法可以对表面活性剂进行分类，每种分类方法都有各自的依据，例如根据亲、疏水基团的组成结构分类；根据其在水中的溶解性能进行分类；根据其分子键合组成进行分类等。根据其溶解在水中是否能解离出离子及其电性来分类是目前比较广泛的分类方式，其将表面活性剂主要分为四个种类。按极性基团的解离
13、性质分类：（1）阳离子表面活性剂当活性剂的分子溶于水发生了电离，且其与疏水基团相连的亲水基是所带的电荷为正时，这种活性剂就是阳离子型的活性剂。大部分以含氮、硫、磷元素有机物为原料都属于阳离子活性剂。的活性剂同其他表面活性剂相同的是，阳离子表面活性剂也具有乳化、增溶、润湿、分散、洗涤等作用 12。而比较特殊的是，由于阳离子表面活性剂中的亲水基团带有正电荷，当期溶液中存在带有负电荷的基体，活性剂分子就会在静电的作用下吸附于基体的表面形成薄膜，出现一些特殊的性能，在纺织行业中作为柔软剂、匀染剂、抗静电剂等得到很好的应用 13。但需要注意的是，阳离子型活性剂和阴离子型活性剂二者不能直接调配共用，否则可
14、能会产生沉淀或凝聚相，使得吸附效果变差，严重影响使用效率。（2）阴离子型表面活性剂将此类活性剂溶于水中，电离出的具有亲水性质的基团带有负电荷。主要包括烷基磺酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基磷酸酯盐以及一些羟酸盐。作为表面活性剂的各种性质都十分优秀，且造价大多较为低廉，因而在目前的日化产品和化工行业中是应用最广泛的表面活性剂类别。在三次采油过程当中，阴离子表面活性剂就以其良好的耐温性和优异的界面活性而被得到了广泛使用，不过由于其对盐类的耐受能力较差，因此在阳离子含量高的油藏中的使用受到了限制。（3）非离子型表面活性剂此类型的表面活性剂在水中不产生离子，主要是由一些含氧基团充当亲水基，因而可以和阴离子型或
15、阳离子型表面活性剂直接调配使用。与离子型表面活性剂相比，非离子型表面活性剂乳化能力更高，化学稳定性更好，洗涤和润湿功能更好，耐盐性更好等多种优点。但也有其缺点，例如耐碱性相对较差，价格也比较昂贵等。主要应用于皮革加工、煤浮选、纺织印染和造纸等工业生产中。（4）两性表面活性剂第 1 章 绪论3两性表面活性剂溶于水中时，可以同时电离出阴、阳离子两种亲水基团，其具体所呈现的离子活性取决于溶液的酸碱性，也因此对于酸碱的耐受能力较强。当溶液为酸性时，呈现出阳离子的特性；当溶液为碱性时，呈现出阴离子的特性。相比其他类型的表面活性剂，该类型表面活性剂对人体表现的刺激性比较小，因此多被用作日常中的各种洗涤剂等
16、。但因其原料价格较高，因此在工业中不常使用。1.2.3 表面活性剂的基本性质表面活性剂同时具有亲水基和疏水基，当表面活性剂溶解在水中时，当活性剂分子进入水中时，由于这种特殊结构，其分子一端受亲和力，另一端则受排斥力，最终分子将会在溶液和其他物质的分界处吸附分散，亲水基团伸向水相内侧，疏水基团伸向水相外侧，表现在气液界面就会使原本空气和液体的分界面被表面活性剂吸附层和液体的分界面替代，而这个吸附层与水的界面的表面张力相比空气和液体界面的表面张力更小，表面活性剂就是由于这种原因而具有降低液体表面张力的功能。显然，相同的活性剂分子吸附在溶液表面的数量越多，吸附界面就越完整，溶液的表面张力就越小，而当
17、液体表面完全被活性剂分子铺满的时候，分子没有办法继续在界面处吸附溶液的表面张力下降到最小。具体表现为，在低于一定浓度的情况下，随着溶液中表面活性剂的浓度的增加，溶液的表面张力会持续下降，但当浓度达到一定值，气-液界面被活性剂分子完全覆盖时，继续增加活性剂的浓度，溶液的表面张力将不会继续变化。1.2.4 临界胶束浓度当液体中的表面活性剂分子数足够多，使气液界面被活性剂分子完全覆盖时，由于整个体系的能量有趋于最低的倾向，无法吸附在表面而留在溶液内部的具有两亲性的活性剂分子会自动聚集在一起，排列成亲水基团向外侧疏水基团向内侧的集团，这种集合体被称作胶束或胶团（如图 1-1 所示），活性剂能在溶液中形
18、成胶束或胶团的最低浓度称为该活性剂的临界胶束浓度。在达到临界胶束浓度后，若继续增大表面活性剂的浓度，只会增加胶束的数目，吸附在界面上的分子数不会增加，因而无法继续降低液体的表面张力，也就无法继续增强泡沫的稳定性。第 1 章 绪论4图 1-1 表面活性剂在溶液表面的吸附及在液体内形成的胶束1.3 泡沫简介1.3.1 泡沫的结构和形成泡沫是胶体的一种，它是由连续液相和分散气相组成的两相分散体系。要产生和稳定泡沫不能只依靠纯液体，一般还需要在液体中加入一种或多种其他物质作为起泡成分和稳泡成分。以水基泡沫来说，有很多种起泡剂和稳泡剂可供选择，表面活性剂就是一种很好的起泡剂，稳泡剂一般使用的是醇、胺等氧
19、化物或一些聚合物。表面活性剂溶解在水中后，一部分分子由于其两亲性会吸附在液体表面的气-液界面上，另一部分分散在水中或在水中形成胶束。泡沫生成时，大量气体进入水中，在水里形成气泡，气泡的气-液界面上也会形成活性剂分子吸附层，随后气泡由于受到浮力漂上液体表面，当气泡浮出液体表面时，在气泡表面吸附的分子和液体表面吸附的分子在相互之间吸引力的作用下，形成双吸附层（如图 1-2 所示）。双吸附层使得气泡能够稳定的存在，当气泡的数量很多的时候，就堆积成了我们常见的蜂窝状泡沫。图 1-2 表面活性剂分子双吸附层的形成第 1 章 绪论51.3.2 泡沫的衰变机理泡沫具有很大的表面能，为了使其表面能降低，泡沫从
20、产生起就一直具有衰变的倾向 14。液体的排出、泡沫的聚结和泡沫膜的破裂都是泡沫衰变的主要表现。其中，泡沫中液体的排出一方面是因为液体受到重力流下，另一方面则是因为气泡之间的相互挤压；曲面的压力作用导致了气泡间相互挤压，其主要取决于泡沫膜自身的特性和泡沫膜中 Plateau 边界（如图 1-3 即为 Plateau 边界）的相互作用 15-18。根据 Laplace 方程可以得出：PA-P=（ 1/RA+1/RP） (1-1)P 和 PA 分别为图 1-3 中所示的 P、A 处所受到的压力， 为液膜的表面张力，R A、 RP分别为 A、P 处气泡的曲率半径。根据式(1-1)可以看出相比之下，A
21、处压力更大，导致P 区和 A 区之间形成压力差，在压力差作用下 Plateau 边界处的液体由 A 流至 P 处，使A 处的液膜厚度逐渐减小，最终承受不住导致泡沫破裂。图 1-3 Plateau 边界此外，液膜两侧气体的也会透过液膜扩散，由于气泡间的大小的不一样会产生压力差，使得气体更容易透过液膜从小的气泡扩散进入到大的气泡中，使得小的气泡不断衰减最后破裂，而大的气泡随着体积增大更易破裂，最终全部消灭。1.4 SiO2 纳米颗粒简介1.4.1 SiO2 纳米颗粒稳定泡沫的优势纳米级的 SiO2 颗粒经过改性之后能够用来增强泡沫的稳定性，而且和一些传统的聚合物稳泡剂相比具有许多特殊的优势。泡沫驱油的作业环境处于在高温、高盐等苛刻条件的底层下，此时聚合物稳泡剂容易分解破坏而导致失效，且分解后的产物可能会对地层的环境造成污染和破坏 19。而 SiO2 纳米颗粒作为一种固体颗粒则不容易受到
