SỰ HÌNH THÀNH BỌT (FOAM) – TÍNH CHẤT VÀ ĐỘ BỀN BỌT – HIỆU ỨNG GIBBS – HIỆU ỨNG MARANGONI - ỨNG DỤNG TRẠNG THÁI BỌT

SỰ HÌNH THÀNH BỌT (FOAM) – TÍNH CHẤT VÀ ĐỘ BỀN BỌT – HIỆU ỨNG GIBBS – HIỆU ỨNG MARANGONI - ỨNG DỤNG TRẠNG THÁI BỌT

SỰ HÌNH THÀNH BỌT (FOAM) – TÍNH CHẤT VÀ

ĐỘ BỀN BỌT – HIỆU ỨNG GIBBS –HIỆU ỨNG MARANGONI - ỨNG DỤNG TRẠNG THÁI BỌT

MỤC LỤC

1 Bọt

1.1 Bọt là gì

Là hệ phân tán khí trong môi trường phân tán lỏng Độ phân tán của bọt rất thô, các hạt có kích thước cỡ mm hay cm Các hạt bọt chịu sự nén của các hạt bên cạnh nên bị mất dạng hình cầu, trở thành những hình đa diện phân cách bởi một màng rất mỏng của môi trường phân tán

Màng trong bọt thường có màu sắc, đó là hiện tượng giao thoa gây ra, điều đó chứng

tỏ chiều dày màng tương đương với bước sóng ánh sáng

Nếu pha khí trong lỏng có hàm lượng thấp và lớp chất lỏng có chứa những bọt khí được gọi là nhũ tương hay cầu bọt (spherical foam) Những bong bóng khí có dạng hình cầu (nếu kích thước nó không lớn) và không có sự tương tác giữa chúng Do có thừa pha khí và các bọt khí này chèn ép lên nhau nên các bọt khí này mất hình dạng cầu và tạo thành các đa diện phân cách nhau bởi các màng rất mỏng của môi trường phân tán Các màng mỏng này gọi là màng bọt

Ngoài ra, bọt có thể là hệ phân tán khí vào trong rắn, thường gọi là bọt rắn (solid foam)

Hình 1 Cấu tạo của bọt

Bọt tồn tại qua 3 giai đoạn sau:

- Giai đoạn đầu: hình thành bọt khí

- Giai đoạn hai: các bọt khí tụ lại, tạo thành hệ bọt

- Giai đoạn cuối: màng bọt mỏng đi và bọt vỡ

1.2 Cấu trúc của bọt:

Bọt khí được bao quanh bởi các phân tử hoạt động bề mặt Các bọt khí (bóng bọt) thường chứa không khí hoặc khí CO2 mà áp suất lớn hơn áp suất ngoài nhưng ép sát vào nhau nên các bóng bọt có hình đa diện Màng mỏng bao quanh bọt rất mỏng, chỉ dày

khoảng chiều dài λ của ánh sáng nhìn thấy Bề mặt pha khí – lỏng có thể đạt đến 1m2 cho 1mL chất lỏng

Hình 2: Cấu trúc bọt (Foam structure) Các đầu Hydrophobic (đầu kỵ nước) quay vào trong bọt khí và Hydrophilic (đầu

ưa nước) quay ra ngoài dung dịch.

• Màng bọt có cấu trúc màng mỏng (lamella) tức là dạng có nhiều lớp micell keo xếp chồng lên nhau

Hình 3 Cấu trúc lamella của bọt

• Bọt có thể có dạng hình cầu hoặc đa diện (phụ thuộc vào lượng lỏng trong bọt) Khi mới hình thành bọt là những hình cầu, lượng chất lỏng trong bọt khá lớn Khi lượng bọt tăng lên bọt có xu hướng liên kết lại với nhau Sau một thời gian hàm lượng nước trong bọt giảm,

bọt sẽ chuyển từ hình cầu về dạng đa diện Hình dạng bọt phụ thuộc vào phần thể tích lỏng (liquid volume fraction) trong bọt, nếu phần thể tích lỏng ≥ 5%: bọt có dạng hình cầu Còn phần thể tích lỏng < 5%: bọt có dạng hình đa diện

Hình 4 Dạng hình cầu, đa diện của bọt

• Khi các bọt liên kết với nhau sẽ hình thành đường biên giữa các bọt, tạo thành những “mao quản” để lỏng di chuyển

Hình 5 Mao quản bọt

Thế kỷ thứ XIX, Joseph Plateau - 1 nhà vật lý học người Bỉ đã chứng minh được định luật Plateau, nội dung chủ yếu của định luật

Hình 6 Kiểu 3 bong bóng tiếp xúc nhau

Điểm giao nhau bởi các màng bọt tạo với nhau một góc 120o khá cân đối tạo sự ổn định về mặt cơ học, còn gọi là tam giác Gibb

Hình 7 Kiểu 4 bong bóng tiếp xúc nhau

Ở cấu trúc 2 chiều, chúng không bền ở dạng tạo góc 90o mà chuyển về dạng lục giác Còn ở cấu trúc 3 chiều, chúng tạo thành góc tứ diện 109o47’

1.3 Sự hình thành bọt

Một bọt khí do có tỉ trọng nhỏ hơn chất lỏng, nó bay lên mặt thoáng Tới bề mặt thoáng nó đội một lớp chất lỏng có dạng hình vòm Nếu bọt khí là rất nhỏ, lực đẩy Archimede (Ac-si-mét) vào nó nhỏ, nó không thể phá vở màng nước vì thế bọt khí nằm yên

ở dưới lớp chất lỏng Tập hợp của một số lớn các bọt nhỏ như vậy tạo thành một lớp bọt nổi trên mặt nước Nếu bọt khí là lớn, lực đẩy Archimede (Ac-si-mét) lớn làm bọt khí vỡ ra Sự tạo bọt kèm theo sự tăng bề mặt phân cách lỏng – khí rất mạnh, vì sự tạo bọt chỉ có thể xảy

ra khi sức căng bề mặt nhỏ Nước tinh khiết không tạo bọt, muốn tạo bọt được phải có mặt của chất hoạt động bề mặt Xà phòng là chất giúp cho sự tạo bọt trong nước Trong quá trình tẩy rửa, bọt góp phần vào việc tách và giữ chất bẩn trong nước giặt ngăn cản sự bám trở lại mặt vải, vật rửa

Các giai đoạn chính của sự hình thành bọt có thể được thực hiện thông qua quan sát trạng thái khi tăng số lượng bong bóng Khi bong bóng được hình thành hoặc được tạo ra trong một dung dịch chất hoạt động bề mặt, một sự hấp thụ của chất hoạt động bề mặt bắt đầu từ giao diện sau đó tiếp cận bề mặt chất lỏng mỗi bong bong và tạo thành một bộ phim bán cầu chất lỏng Trong đó bao gồm hai hấp thụ bề mặt hấp phụ và lớp chất lỏng giữa chúng, lớp hấp phụ bề mặt đảm bảo cho sự tồn tại của lớp bọt

Với sự gia tăng trong số lượng các bong bóng ở bề mặt và lực hút mao dẫn giữa bong bóng giúp cho quá trình liên lạc và biến dạng bong bóng, dẫn đến hình thành màng mỏng chất lỏng giữa bong bóng kế cận Do đó, một lớp đơn của các bong bóng khí được hình thành ở bề mặt, tiếp theo là một lớp thứ hai, và như vậy cho đến khi thu được một bọt ba chiều

Hình 8 Sự hình thành của lớp bọt trên bề mặt chất lỏng

Ngoài ra, sự đưa pha khí vào pha lỏng có thể được thực hiện bằng cách thổi trực tiếp hoặc có một tác động cơ học Các bọt đã tạo nên được bao bọc bởi một lớp màng nước rất mỏng Những màng này tách các bọt có thể được xem như là những màng miếng mỏng có cấu trúc giống hệt nhau và có những giao diện rất gần nhau giữa cái nọ với cái kia

Hình 9 Các phương pháp tạo bọt

1.4 Tính chất và độ bền bọt

1.4.1 Tính chất

Bọt có thể ổn định hay không ổn định Bọt không ổn định có thời gian tồn tại từ vài giây đến vài tuần Bọt ổn định có thời gian tồn tại hơn vài tháng Bọt không bao giờ được tạo nên trong một chất lỏng thuần túy, bởi vì chất lỏng này không thể cho một sự đàn hồi nào cho màng bao quanh bọt hơi hoặc đối kháng với dòng chảy của màng ấy

Bọt được tạo nên do đưa không khí hoặc những hơi khác vào trong pha lỏng có một độ thun dãn nào đó Sự đưa pha hơi vào trong pha lỏng có thể thực hiện bằng cách thổi trực tiếp hoặc một tác động cơ giới (lắc, cọ xát trong lúc giặt) Các bọt đã được tạo nên được bao bọc bởi một màng rất mỏng, các màng có tác dụng giữ các khí bên trong Sự ổn định của bọt hay không ổn định của bọt có liên hệ chặt chẽ với dòng chảy của chất lỏng trong màng bao quanh bọt khí

Trong giai đoạn đầu, lúc các màng tương đối dày, trọng lực đóng vai trò lớn trong hiện tượng dòng chảy của chất lỏng giữa các bọt Khi các màng trở nên mỏng, hiệu quả của trọng lực trở nên ít quan trọng Khi những phân tử chất hoạt động bề mặt có trong pha lỏng, một

sự hấp phụ ở giao diện khí /nước làm chậm sự mất nước trong màng sinh ra một hệ thống có

cơ tính ổn định Hiện tượng này dựa trên hai thuyết: Hiệu ứng Gibbs – Marangoni

1.4.2 Các nguyên nhân làm bền bọt

a) Hiệu ứng Gibbs – Marangoni

- Hiệu ứng Gibbs

Sức căng bề mặt của một chất lỏng giảm khi nồng độ của chất hoạt động bề mặt tăng đến nồng độ micell keo tới hạn (CMC)

- Hiệu ứng Marangoni

Hiệu ứng Marangoni là sự dịch chuyển vật chất bên trên hoặc bên trong một lớp chất lưu do sự khác nhau của sức căng bề mặt

Hiệu ứng này được tìm thấy đầu tiên vào năm 1855 trong một thí nghiệm của kỹ sư người Ireland James Thomson về hai chất lỏng có sức căng bề mặt khác nhau Sau đó nhà vật lý người Ý Marangoni đã hoàn thiện và phát biểu như một hiệu ứng về sức căng bề mặt vào năm 1871

Sức căng bề mặt lúc bọt mới được tạo ra luôn luôn cao hơn giá trị cân bằng, điều này

có nghĩa rằng trong một thời gian rất ngắn, các phân tử của chất hoạt động bề mặt phải tiến

về phía bề mặt tiếp xúc pha để làm giảm sức căng bề mặt

Hai hiệu ứng trên bổ sung cho nhau và được gọi là hiệu ứng Gibbs – Marangoni bởi vì chúng có cùng chung một tác động: một mặt liên quan đến nồng độ chất hoạt động bề mặt (Gibbs) và mặt khác liên quan đến tốc độ lan toả của các chất hoạt động bề mặt trong màng mỏng của bọt (Marangoni)

Hiệu ứng Gibbs – Marangoni dùng làm cơ sở để mô tả cơ chế đàn hồi và ổn định của màng bọt Khi màng giữa hai bọt trải rộng ra bởi dòng chảy (do hiệu ứng trọng lực), thì tạo thành một vùng mới có nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp, do đó sức căng bề mặt trở nên cao hơn Từ đó kéo theo sự di chuyển của những phân tử chất hoạt động bề mặt từ vùng có sức căng bề mặt kém về phía vùng có sức căng bề mặt cao hơn

Do đó, hiệu ứng này ngăn cản không để màng trở nên quá mỏng có thể làm vỡ bọt Hiệu ứng Gibbs – Marangoni khác nhau tùy theo nồng độ của chất hoạt động bề mặt trong pha lỏng

Như vậy, với hiệu ứng Gibbs – Marangoni, nếu nồng độ chất hoạt động bề mặt quá thấp, các sức căng bề mặt giữa chất lỏng tinh khiết và dung dịch sẽ không khác nhau lắm để

có thể chuyển chất hoạt động bề mặt của dung dịch về phía có sức căng bề mặt cao, bọt như vậy sẽ không ổn định, dễ vỡ bọt Ngược lại nếu nồng độ chất hoạt động bề mặt quá cao thì

số lượng sẵn có của chất hoạt động bề mặt cao đến nỗi không tạo được khuynh độ trong màng, nên màng cũng kém ổn định

A B Hình 10: Hiệu ứng Gibbs (A)_Hiệu ứng Marangoni (B)

Hiệu ứng Gibbs- Marangoni khác nhau tùy theo nồng độ của các chất hoạt động bề mặt trong pha lỏng

b) Lực tĩnh điện:

Lực đẩy tĩnh điện hay lực đẩy lập thể giữa các bề mặt tiếp xúc kế cận của các ionic

và các chất nonionic cũng góp phần vào sự ổn định của bọt Với chất hoạt động bề mặt ionic thì màng mỏng được làm bền bởi 2 lớp điện tích đơn trái dấu

Bề mặt này bền được là do: tính đẩy nhau giữa các lớp điện tích Nếu có chênh lệch nồng độ ion thì dưới ảnh hưởng của hiệu ứng Gibbs – Marangoni, nồng độ ion sẽ cân bằng trở lại

Hình 11 Tính đẩy nhau giữa các lớp điện tích.

c) Độ nhớt

Dung dịch có độ nhớt cao sẽ làm tăng độ bền bọt do:

- Độ nhớt của pha lỏng: nếu độ nhớt cao, nó làm chậm dòng chảy từ những màn kế cận dẫn đến làm chậm sự mất nước trong màng

- Làm chậm quá trình khuếch tán khí, giảm tốc độ di chuyển của các chất hoạt động bề mặt

- Độ nhớt ở bề mặt cũng làm chậm dòng chảy lỏng giữa các giao diện của các màng và cũng

có tác dụng ngăn cản sự vỡ bọt

d) Tính đàn hồi của màng:

Để có hệ bọt bền, ổn định thì màng mỏng tạo thành xung quanh mỗi bọt khí phải dày,

cố kết, đàn hồi, liên tục và không thấm khí Dường như các bọt hình cầu với màng chất lỏng

có khối lượng phân tử cao và khó bị giãn mạch ở bề mặt sẽ tạo được những màng hấp thụ dày do đó làm cho bọt rất bền Có thể để tạo được ra các màng mỏng bền như thế thì nhiều lớp màng đã bị giãn mạch từng phần trước tiên phải tự liên hợp với nhau ở bề mặt liên pha bằng các tương tác ưa béo và có thể bằng cả liên kết hydro và liên kết tĩnh điện nữa

e) Tính chất của màng bọt:

Sự hình thành bọt phụ thuộc vào việc giảm sức căng bề mặt và tăng lực liên kết giữa các phân tử chất hoạt động bề mặt

Trong dung môi là nước thì độ bền bọt của chất hoạt động bề mặt là ionic bền hơn so với nonionic Do trong nonionic thì phân tử chiếm diện tích bề mặt lớn hơn và thường xảy

ra hiện tượng chênh lệch mật độ tập trung chất hoạt động bề mặt trên màng mỏng, nên hiện tượng thoát nước và khuếch tán khí xảy ra dễ dàng hơn

1.4.3 Nguyên nhân làm bọt không bền

Các hệ bọt thường ít bền vì chúng có tổng diện tích bề mặt liên pha rất lớn Thông thường có 3 hiện tượng sau làm cho bọt không bền:

 Sự rút chất lỏng (hay sự chảy chất lỏng) của vách (màng lỏng) do trọng lực

Do hiệu số áp suất và (hoặc) do sự bốc hơi Áp suất bên trong P của bọt được tính theo phương trình của áp suất mao quản của Laplace

Trong đó: là áp suất khí quyển, là sức căng bề mặt liên pha, là bán kính độ cong của bọt

Trong hệ thống bọt có mật độ thấp, các bọt có xu hướng ép sát vào nhau do đó làm tăng sự rút chất lỏng của các vách Sức căng bề mặt liên pha yếu và đường kính của bóng bọt lớn sẽ làm giảm áp suất bên trong và làm giảm sự rút chất lỏng Thực ra sự rút chất lỏng cũng đã xảy ra trong khi hình thành bọt và khi đến một mức độ giãn nở cao ( cao), sự rút lại càng dễ dàng Sau khi hình thành bọt, việc tiếp tục rút nước sẽ còn làm tăng giá trị và

sẽ làm giảm độ dày và độ bền của các vách lỏng

Hiện tượng rút chất lỏng sẽ bị giảm khi pha lỏng khá nhớt và khi độ nhớt bề mặt của màng mỏng chất lỏng được hấp thụ là rất cao

Sự khuếch tán khí từ các bóng bọt nhỏ sang các bóng bọt lớn là do có khí hòa tan trong pha nước

Sự phá hủy của vách lỏng ngăn cách các bóng bọt do đó xảy ra hiện tượng hợp bọt làm tăng kích thước của các bọt rồi dẫn đến nỗ vỡ bọt Thường thì có một sự phụ thuộc lẫn nhau giữa sự rút chất lỏng và sự phá hủy vì sự phá hủy sẽ làm tăng sự rút và sự rút sẽ làm giảm

độ dày và độ bền của vách lỏng Nếu các màng mỏng phân cách được hấp thụ có độ dày và đàn hồi thì sẽ chịu được sự phá hủy

 Khuynh hướng giảm bề mặt của hệ:

Để giảm năng lượng bề mặt, tức là giảm bề mặt dị thể, theo nhiệt động học các hạt phân tán ở dạng hạt đơn nằm riêng lẻ sẽ có bề mặt dị thể lớn, cấu trúc này không bền Các hạt đơn này có khuynh hướng tập hợp lại thành các hạt đôi, hạt ba gọi là các hạt kép

Khuynh hướng giảm diện tích bề mặt thứ hai là các hạt nhỏ sẽ tan ra để tạo thành hạt lớn hơn

Hình 12 Các hạt nhỏ sẽ tan ra để tạo thành hạt lớn hơn.

2 Chất tăng bọt- chất phá bọt

2.1 Chất tăng bọt

Độ bền và ổn định của bọt đối với các chất bẩn là một đặc tính quan trọng Bọt của dầu gội đầu phải bền với mồ hôi, nước cứng và những thành phần đặc biệt như conditioner hoặc refatener Bọt sữa tắm phải bền với xà phòng và các chất bẩn trên thân thể Các sản phẩm rửa tay phải tạo nhiều bọt thậm chí trong sự có mặt của các chất bẩn nặng Sự làm bền bọt có thể thực hiện bằng nhiều cách: tăng độ nhớt và tính đàn hồi của màng bọt với độ nhớt lớn thì sẽ hạn chế sự mất chất lỏng từ màng bọt hoặc cách khác là tăng lực đẩy tĩnh điện giữa ion của các chất HDBM

Chất tăng bền cho bọt có thể được phân thành 3 lớp chính: chất điện ly, chất phân tử hữu cơ phân cực (surfactants) và hợp chất cao phân tử

 Chất hoạt động bề mặt: Sự lựa chọn chất làm bền bọt hữu cơ cho những chất tạo bọt phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Bản chất ion hoặc không ion của chất HDBM tạo bọt Đối với chất HDBM ionic, sự thêm vào chất HDBM nonionic được ưa chuộng Độ phân cực của chất HDBM nonionic là yếu tố quan trọng cho phép tương tác với chất tạo bọt ionic trong một lớp mỏng (amine oxide) Đối

với chất HDBM nonionic , sự thêm vào chất làm bền ionic tạo thành lực đẩy điện tích ở lớp màng

- Sự tương hợp về cấu trúc giữa chất tạo bọt và chất làm bền bọt: chiều dài mạch carbon, mạch thẳng hay nhánh…

- Khả năng thêm vào để hạ thấp nồng độ CMC của dung dịch chất HDBM tạo bọt

 Sự thêm vào chất điện ly

Sự thêm vào chất điện ly có thể làm bền bọt tạo ra từ chất HDBM anionic do giảm CMC, do đó giảm lực đẩy giữa các đầu ở bề mặt tiếp xúc khí-lỏng chất điện ly không ảnh hưởng đối với các chất HDBM nonionic

 Water-soluble polymers and proteins

Các polymer và protein tan được trong nước có thể làm bền bọt do làm tăng độ nhớt của màng bọt do vậy giảm được sự chảy của chất lỏng Đồng thời những chất này còn mang lại cảm giác êm dịu cho da Ví dụ về các polymer này như agar-agar, polyvinylalcohol, alginates, dẫn xuất cationic và nonionic của guar, polyacrylates và dẫn xuất cenlulose 2.2 Chất phá bọt

Chất phá bọt không tan trong hệ tạo bọt và có tính hoạt động ở bề mặt phân chia pha Đặc điểm cần thiết của một sản phẩm phá bọt là độ nhớt thấp và dễ dàng chảy loang trên bề mặt bọt Nó có ái lực với bề mặt khí-lòng nơi mà nó làm giảm độ bền của màng bọt làm bề mặt bọt bị phá vỡ

Để giảm bọt, người ta thay thế một phần chất hoạt động bề mặt anion bằng các loại không ion, hay các loại xà phòng Cũng có thể thêm một số tác nhân phá bọt khác như: steryl phosphate, dầu, sáp, silicone

• Chất phá bọt dạng dầu

Chất phá bọt dạng dầu sử dụng dầu là hệ mang Dầu có thể là dầu khoáng, dầu thực vật hay bất kì dầu nào không tan trong hệ tạo bọt, ngoại trừ dầu silicone Một chất tạo bọt dạng dầu chứa một chất sáp hoặc hạt silica kị nước để tăng tính năng Các sáp thường dùng

là ethylene bis stearamide, paraffinic, ester, rượu béo Những chất phá bọt này thường được

bổ sung thêm chất hoạt động bề mặt để tăng sự tạo nhũ và chảy loang trên bề mặt bọt

• Chất phá bọt dạng nước

Thành phần chất phá bọt dạng này gồm những hạt dầu hoặc sáp được phân tán trong nước Dầu thường là dầu trắng, dầu thực vật và sáp là những rượu béo mạch dài, xà phòng acid béo hoặc ester

• Chất phá bọt dạng Silicone