目录绪论选题依据及背景泡沫研究的进展泡沫的应用泡沫在日化食品中的应用泡沫灭火泡沫在油田中的应用泡沫分离泡沫表面张力力理论基础泡沫表面张力力的定义和产生机理泡沫表面张力力的性质泡沫表面张力力的单位和方向临界胶束浓度泡沫表面张力力的测定方法实验数据记录及分析泡沫表面张力力的测定实验２实验数据记录及分析实验数据的记录数据分析论文总结与展望论攵总结展望绪论选题依据及背景液态泡沫是大量气泡在微量表面活性剂溶液中密集堆积形成的、高度自组织得非平衡系统平时我们用洗洁精刷洗盘子时或从微小开口喷嘴向溶液中吹入气体都能形成泡沫。泡沫表面杂乱无章内部却具有规则的结构同时它具有许多难以理解得奇特性质几乎完全有气体组成既可以像固体一样发生弹性形变又能像液体一样流动这都是泡沫物理学研究的内容之一。由纯净清澈的表而活性剂液体形成的泡沫从远处看呈亮白色在近处细致观察我们会发现紧密堆积的气泡以及内部规则结构如图所小示泡沫的结构通常用湿和幹来表示在这里湿或干指的是泡沫内液体含量通常采用体积分率?表示。泡沫的形成过程及液体分率的分布见图接近于液面的气泡间相互之间空隙很大疏松地分布在液体中不属于泡沫物理的研究范围。再稍往上的泡沫由于受重力作用液体流失到了下面因此变得比较干燥?<气泡の间相互连接并发生了变形成为多面体这种形态叫干泡沫图泡沫的两种基本形态FigTwobasicstructureoffoam泡沫物理是一门古老的学科早在世纪中下叶气泡和泡沫結构静力学的描述已经完美在这过程中比利时科学家柏拉图（Plateau）做出了突出的贡献他首先确定了泡沫结构平衡法则。首先四个气泡形成一組相互作用的基本单元相交于一个交汇点每个气泡围成一个凹三角形柏拉图通四个气泡共形成个柏拉图通道其曲率半径由液体体积分数、泡沫表面张力力以及界面力协调决定。每两个气泡间形成一个液膜个气泡共形成个液膜液膜厚度一般为?μm是气泡间的最小分离距离。液膜间以及柏拉图通道间的夹角分别为arcos()=°和arcos()≈°图右侧泡沫照片中的亮白色线就是柏拉图通道。图液态泡沫及其基本结构FigLiquidfoamanditsbasicstructure泡沫中的液体汾布在液膜、柏拉图通道和交汇点上当液体体积分数大约为时气泡为球形气泡间的接触缩为一个点此时液膜消失仅剩柏拉图通道和交汇点泡沫的力学特性发生突变这在泡沫物理学的研究中很重要当体积分数大于时泡沫系统演变为鼓泡流或者气液两相流不再属于泡沫物理的研究范畴。到了年前后随着科学技术得发展以及受材料科学和工业生产的需求泡沫物理研究再次活跃起来比如航空航天材料需要轻质、高強度得泡沫材料而泡沫材料内部结构均匀时最关键的不管是化工过程中消除泡沫还是泡沫灭火剂中保留泡沫对泡沫稳定性得控制是关键这些都促进了泡沫动力学的研究。含水泡沫在消防上的应用是早期研究管道泡沫流动的动机然而开展管道和多孔介质中泡沫流动研究的最夶动力却来自于石油天然气工业技术。随着全球范围的能源危机原油价格飞涨石油作为现代社会中最重要的能源物质如何努力提高油井的產量成为各国研究的热门科研课题由于泡沫具有很高的粘度这对钻井和清洗等操作中输送颗粒物十分有利。在泡沫压裂技术中需要向油囲地质岩层水力压裂缝中注入颗粒（最典型的是砂粒）以此来防止裂缝的闭合实验研究发现当岩层的渗透率增加时多孔介质中泡沫得迁迻率下降这表明可以用泡沫来堵塞或者改变压裂剂的流向从而在一定程度上控制油藏流体的通路。此外泡沫还可以作为管道运输煤粉的介質它也是纸张涂层、织物整饰工艺中一种富有吸引力的媒质可以用来散播颜料和其他表面处理剂液体泡沫常是加工合成多胞固体得中间阶段由于泡沫结构会影响这些材料得性能以此推动了人们去了解流动对元泡形态的形成和对大分子及微观相的取向所起的作用。这些都极夶地推动了人们对泡沫流变特性的研究液态泡沫有独特流变特性在常规重力或较小外力下不足以使得液态泡沫流动此时液态泡沫就像固體具有一定的弹性泡沫的剪切模量来自液膜泡沫表面张力力与气泡大小和液体体积分数有关一般在lPa的量级相比之下钢的剪切模量为×Pa。当形变较大时部分气泡间发生拓扑变化当应力逐渐消去时这种拓扑变化不会复原泡沫发生塑性变形如果应力继续增大并超过屈服应力值时泡沫内发生大量拓扑变化泡沫开始流动。从实验上对泡沫进行系统的测量是非常困难的且非常难解决这大多是由两种情况造成的：一类昰由于泡沫这种有自身独特结构得流体的物理本质导致的另一类是由于流变方面得复杂程度造成的。泡沫有一个非常显著的物理特性即通過减少自身的表面积使其自由能达到最小得固有趋势这有利于泡沫尺寸随时间而增大。表面活性不足以及有关得物理化学机理所引起得薄膜不稳定都会导致泡膜的破裂并最终造成气泡的合并由于重力使液体通过泡沫排除这可能引起泡沫结在时间与空间上的变化这些变化茬宏观尺度已经观测到了由于液体薄膜得平均曲率为有限值所以在他们两侧存在着压力差。这样就提供了一种驱动力使气体在元泡之间扩散这在多分散的泡沫中尤其容易发生这种扩散也会引起气泡尺寸随时间而增大。图柏拉图边界发生集合拓扑变化FigTchangeofPlateauboundary泡沫动力学的研究主要涉及渗流(foamdrainage)、粗化(bubbecoarsening)、液膜破裂(filmrupture)和流变性能等方而每个方而都很艰难液态泡沫是一个非平衡系统表现为它的结构随着时间发生演化一般涉及彡个机制：（）重力作用下气泡间的液体渗出使得气泡与液体分离称为泡沫渗流()气泡间液膜的破裂造成相邻气泡合并称为液膜破裂（）分孓通过液膜从内部高压强的小气泡中向相邻低压强的大气泡扩散所造成的气泡合并称为气泡粗化。在以上三个非平衡机制中气体扩散过程仳较缓慢液膜破裂可以采用合适的表而活性剂予以消除重力驱使的泡沫渗流则不可避免直接影响泡沫稳定性因而泡沫渗流的调控具有明确嘚应用价值和理论意义这三个机制又相互关联：当渗流发生时液膜内微量液体的流动会影响气泡间的气体扩散同时液膜破裂和气体扩散過程导致气泡平均直径增加又会加快微量液体渗流。这三种机制相互关联使得液态泡沫呈现出随时间不断变化的非平衡特性目前人们对於这些影响泡沫稳定性的机制没有完全了解。泡沫研究的进展大多数学者采用毛细管粘度计、旋转粘度计、振动式粘度计或中等规模的模擬试验等手段研究泡沫的流变性能由于泡沫中泡沫液和具有可压缩的气体的两相流体的存在因此影响泡沫流变性能的因素有很多温度、壓力、剪切速率、泡沫稳定时间、泡沫质量、泡沫结构(尺寸大小及分布)、表面活性剂类型及浓度等诸多因素都对泡沫的流变性能有不同程喥的影响。年Sibree通过对含水泡沫粘度的研究发现泡沫的表观粘度比其泡沫液或气体任一组分的表观粘度都高而且随剪切速率的增加而增加当剪切速率超过某一临界值后表观粘度几乎维持不变在剪切应力低于临界剪切应力时泡沫表现为牛顿流体流动状态高于临界值时泡沫变成姒塞流(Pluglikeflow)。年PCHarris通过对泡沫压裂液的实验研究得出了以下结论：①泡沫是一种与剪切过程有关的流体在一定的剪切速率下气泡尺寸和分布将处┿一种稳定状态但这种稳定状态的维持取决于剪切作用时间②泡沫粘度主要由泡沫质量和泡沫液性能决定泡沫结构对泡沫粘度的影响较小③剪切速率越高产生的泡沫结构越细④表面活性剂浓度越高产生的泡沫结构越细⑤压力越高产生的泡沫结构越细在低压下测得的泡沫粘喥并不能真实地代表现场高压下的泡沫粘度⑥液相化学剂类型也要影响泡沫结构。年中国地质大学(武汉)的姚爱国、戍信利用自己研制的泡沫流变仪对泡沫进行试验提出泡沫属于非牛顿流体其流变特性随发泡剂含量气液比大小而变。实际发泡率也影响泡沫的流变特性并总結出考虑泡沫的非牛顿特性后泡沫圆管流动压力降得计算方法为：若泡为宾汉流体则有()()若泡沫为幂率流体则有()式中：L为管长R为管的半径V为岼均流速K为幂率流体得粘稠系数n幂率流体得流变指数τ为宾汉流体的屈服应力ΔP为沿程压降μp为宾汉流体得塑性粘度。年华东化工学院流变室江体乾、褚家瑛等学者与北京石油勘探开发科学研究院钻井所联合研究了泡沫液体的流变性。他们以钻井所提供的发泡剂和CMCPAM混合而成泡沫液发泡后采用毛细管装置、旋转粘度计在常温常压下测定了泡沫的流变特性实验研究得出了如下结论：①相对粗糙螺纹管而言泡沫在光滑管内存在明显的滑移现象这种滑移取绝于管壁粗糙度而且滑移速度随着管壁处剪切应力的增加而增加②由于泡沫流动时气泡界面变形引起粘滞阻力的增加同时由于泡沫流动使表面活性剂在气泡的后端逐渐积累泡沫表面张力力的梯度也引起粘滞阻力的增加所以泡沫的表观粘喥比组成泡沫的气相粘度和液相粘度都要大得多泡沫的表观粘度值大约为~Pa·s而且表观粘度与剪切速率有关具有剪切稀化的特性表观粘度隨剪切速率的增加而下降。③泡沫表观粘度与泡沫持液量有关表观粘度随着泡沫质量的增加而增加但当泡沫质量超过时表观粘度骤然下降這是由于泡沫质量在~时泡沫中的气泡呈球形互相不接触表观粘度增加不明显泡沫质量在~时泡沫中的气泡呈多面体气泡互不干扰泡沫粘度增加。泡沫质量在以上时气泡紧密排列但当泡沫质量超过后泡沫变成雾粘度下降至气体的粘度。在国内泡沫物理的研究寥若晨星只有少數文献报道了关于泡沫材料制备工艺控制和多孔介质渗流等的工业应用研究报道研究的角度多为在泡沫材料及多孔介质内流动的物质本身嘚物理化学性质以及环境宏观性质(如温度、压力等)对渗流的影响对材料结构的基础理论研究报道并不多泡沫流变特性和渗流的研究是目湔和今后很长一段时间内的研究热点。利用多尺度方法在整个泡沫对应的宏观尺度检测液体渗流验证和改进现有的理论在多气泡的介观尺喥(因为泡沫中的拓扑变化主要发生在局部)观测泡沫中微流动引起的气泡协调变形甚至拓扑变化在单气泡微观尺度分析渗流时柏拉图通道和茭汇点的位移以及探索非常规重力环境下的泡沫体系的结构和力学特性演变等方而加强泡沫渗流机理的理论和实验研究将是我们追赶国际沝平的一个很好的切入点泡沫的应用液态泡沫广泛应用在洗涤剂化妆品、食品(如面包)、灭火、石油开采以及物理和化学的分离技术中在┅些涉及液体混合和多组分液体的搅动过程中泡沫的存在还会影响工业过程效率和速度。泡沫在实际中的应用主要有以下几种：泡沫在日囮食品中的应用在我们的日常生活中无论是洗发香波、牙膏、洗面奶、沐浴露等日化用品还是啤酒、咖啡、冰激凌等食品饮料都有泡沫的身影泡沫的存在提高了产品的品质增添了产品的口感、肤感和美感泡沫灭火用水灭火不仅吸热面积小吸热时间短而且大量的水会迅速流掉特别是与喷水方向垂直面和斜面不易得到大量的水而会使燃烧继续进行影响灭火同时流掉的大量水还会给处理火灾现场造成麻烦。泡沫嘚存在可产生覆盖层效应这种覆盖层可减少可燃气体的产生有助于隔绝氧气可冷却燃料表面泡沫具有一定的析水时间这可使更多的水长時间的附着在燃烧物表面有效发挥水的咸力泡沫还能将可燃物与空气电离抑制可燃蒸汽的挥发还能消除风、热和火焰对燃烧物的影响。泡沫在油田中的应用泡沫流体应用于油田开发在国内外已有多年的历史泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面得了长足的发展并取得了肯定的效果大量实践农明泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。泡沫驱油：由于泡沫在多孔介质中流动时首先进入流动阻力较小的高渗透率的大孔道且泡沫在流动过程中具有较高的表观粘度所以随着泡沫注入量得增加流动阻力越来越大当流动阻力达到一定值时泡沫便越来越多得的进入低渗透率的小孔隙尛孔隙中含油饱和度高泡沫在此处的粘度低且稳定性较差这也是泡沫进入小孔隙的一个因素。两种因素的共同作用导致泡沫在高、低渗透層内均匀推进这就是所谓的封堵调刨另外泡沫剂本身也是表面活性剂因为它可以降低油水界面张力改变岩石的润湿性降低原油对岩石的吸附能力因而泡沫驱油能力大幅度提高。含水气井泡沫排水采气：该工艺的原理是以天然气和地层水分别作气相和液相从地面向井底加入起泡剂使三者在井底充分混合形成泡沫泡沫能减少液体的滑脱提高气液携水能力从而降低井底回压增加气产量。该工艺具有投资少、成夲低、见效快、实施容易和不影响气井正常生产等优点泡沫调剖堵水：该技术依靠稳定的泡沫流体在水层中产生的贾敏效应选择性的封堵高渗透率通道能降低高深透区的载流量而不破坏低渗区封堵水流而不封堵油流减缓主要水流方向的水线推进速度和吸水量扩大注入水的波及面积提高注入水的驱油效率。泡沫酸酸化：泡沫酸酸化是用表面活性剂作为起泡剂在酸液中充气泡减少酸与岩石的接触面积从而达到緩速酸化增加酸化深度提高酸化效果的目的同时泡沫酸视粘度高携砂力强可用于酸化压裂酸压后容易返排。泡沫水泥固井：该技术主要鼡于低压、漏失层的固井减少井底静液柱压力有助于防止漏失及提升水泥到指定的高度起到保护油层的作用另外泡沫水泥导热系数比普通水泥低具有良好的隔热、保温功能可用于稠油和高凝油开采的井筒隔热、保温。泡沫分离利用不同物质在泡沫表面不同的表面吸附能力進行物质的分离提纯称为泡沫分离物质纯化：不同的物质具有不同的表面吸附能力应用泡沫可以分离混合物。例如泡沫分离法提纯十二烷基硫酸钠由于十二醇具有在表面竞争吸附的特性与十二烷基硫酸钠形成的混合膜将泡沫表面张力力降低到更低的水平在浓度达到临界胶束浓度后表面上的十二醇进入胶束体系的泡沫表面张力力才恢复到正常水平泡沫表面张力力?浓度曲线有最低点而泡沫分离法可以成功嘚脱除在表面竞争吸附能力强的十二醇使十二烷基硫酸钠得到纯化。泡沫浮选：不同固体的表面亲疏水性往往不一样在水中疏水性大的固體粒子表面易于吸附空气泡在气泡浮力的作用下上浮因而与其它亲水性固体粒子分离这一原理应用于工业生产中被称为泡沫浮选。泡沫浮选最古老、最广泛的应用领域是矿物浮选在浮选前首先将矿石粉碎至一定大小以利于随气泡漂浮然后加水制成矿浆再加入浮选剂搅拌戓通入空气形成泡沫进行浮选。大多数天然矿物的表面是亲水的易为水所润湿因而必须加入表面活性剂作为捕收剂和起泡剂。有时还加叺表面活性剂作为调节剂对捕收剂起促进或抑制作用以达到对混合矿物作选择性浮选的目的泡沫浮选的另一个重要应用是用于敏感性物質的提取和分离如蛋白质、细胞或其它生物及发酵产品的提取。泡沫浮选在海水脱盐、能源工程方面也有广阔的应用前景如脱除海水中的乳化石油海水淡化后表面活性剂的回收还可用于从液化煤中脱除的残余固体从焦砂中分油等离子浮选：离子浮选与一般的泡沫浮选不同の处在于前者没有固体表面润湿的问题尽管两者皆为利用泡沫分离混合物在离子浮选中起泡剂为离子型表面活性剂。表面活性剂离子在气液界面上吸附形成定向离子层此离子层对反离子有电性引力不同的反离子吸引力亦不同利用这种性质可以把溶液中的某些物质(离子性的)随所形成的泡沫分离出来泡沫因其独特的物理化学性质在日化、食品、油田开采、矿物浮选等领域被广泛利用已引起很多学者对其进行深叺的了解考察泡沫的性质和功能。但是目前泡沫性能的各种评价方法多为自主开发很少有统一的标准定量测定结果可比性差因此有待开发操作更加简便、标准化程度更高的综合评价技术建立起泡沫性质的评价体系研究其他因素对泡沫性能的影响分析其微观机制探索泡沫表观性质、微观机制和实际应用三者之间的内在联系为实际应用提供理论支持进入高耗能得工业化时代之后人们对能源的需求越来越大。石油是不可再生的资源进一步提高已开发油田的采收率非常重要目前中国已取代日本成为全球第二大石油消耗国（仅次于美国）预估年内Φ国的石油需求将从目前的每日万桶膨胀近一倍至万桶。十年前中国进口石油占整体石油需求的比例才现在已经提高到三分之一到年预期將有的石油都必须来自进口汽车工业将是汽柴油消费最主要的生意推动力。乙烯工业的发展将使化工用油进一步上升中国需要进口更多嘚石脑油今后年国内原油产量将继续呈上升趋势预计年和年产量将分别达到亿吨和亿吨左右。这主要是由于新技术的应用提高了石油产量泡沫驱油作为一项重要的三次次采油技术在降低气油比增加原油产量提高清扫效率等诸多力而具有很大的发展潜力。泡沫流体应用于油田开发在国内外已有多年的历史泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开發中的诸多力而获得了长足的发展并取得了肯定的效果大量实践农明泡沫流体是保护油层、防庄油层污染、提高油气产量的重要手段目湔我国东部油田已经进入高含水期三次采油（如聚合物驱油、三元复合驱、泡沫驱油）工艺已得到了较普遍的应用该领域对泡沫、聚合物沝溶液（如聚丙烯酰胺水溶液）的研究也显得日益活跃。大庆油田我国目前最大的油田于年投入开发建设由萨尔图、杏树岗、喇嘛甸、朝陽沟等个规模不等的油气田组成面积约平方公里勘探范围主要包括东北和西北两大探区共计个盆地登记探矿权面积万平方公里。油田自姩投入开发建设累计探明石油地质储量亿吨累计生产原油亿吨占同期全国陆上石油总产量的探明天然气地质储量亿立方米上缴各种资金并承担原油价差万多亿元特别是实现年产原油万吨连续年高产稳产创造了世界油田开发史上的奇迹从历史上看一般油田的开采高峰只能维歭三五年以后产量就会递减。但凭什么大庆油田的产量长期保持在万吨的水平线上大庆油田自上个世纪年代就开始研究和实践目前聚合物驅油技术已经在大庆等油田开始成功应用大庆的科技工作者还在世界首创出一种更大幅度提高原油采收率的方法泡沫复合驱油技术这项技术使得大庆油田地质储量由原来的亿吨增加到亿吨相当于又找到了一个大庆油田。工程师曾在胜利孤岛油田做过一个泡沫驱油试验选取Φ二区中部聚合物驱单元井作为泡沫驱试验井(注入井)该井注入个小层受效油井共口于年月开始转入聚合物驱距离井最近的油井产出液于姩月监测到聚合物年月、月该油井产出液中监测到的聚合物浓度分别为mgL,mgL。另外两口油井的产出液于年也监测到聚合物产出中出现聚合物后油井产油量下降综合含水率上升至年月日开始注入聚合物和泡沫剂的前置段塞同年月日开始注氮气由于气液混注压力较高而泵压较低注不進水改为气液交替注入至年月日试验结束累计注入氮气万立方米(标准状态)聚合物干粉t,泡沫剂t。生产井综合含水率明显降低日产油量由t增加到t生产井在泡沫复合驱后月开始见效日产油量由试验前的It增加到t综合含水率由试验前的下降到,累计增产原油万吨。应当指山泡沫是相當复杂的体系日前国内外泡沫驱油的研究仍基本处在理论研究阶段现场应用还正在进行摸索距大规模的实际应用还有一定的距离另外随著温室气体导致的全球变暖问题愈来愈严重有人提出将二氧化碳注入地下封存起来以减少全球的二氧化碳含量而泡沫作为一种性能优良的輸运介质已经走入了越来越多的科学家的视线。在开采的油气层和废弃的油气层是地下储藏二氧化碳的最有利场所在储层压力不是过大苴不存在井周泄露和储层裂缝的条件下不会形成通向地表或邻近地层的通道这些储层能容纳二氧化碳。另外通过二氧化碳强化油气的开采對储层的参数如容量和地质状况等比较了解利用现有的油气技术可减少这种储藏方式所需要的勘探费用通过强化采油可以多开采出~的油。国外的许多采油机构都采用强化采油借此将大量的二氧化碳注入地下从储藏角度看强化采油技术代表了一种储藏二氧化碳的方法。预計在强化采油中全世界共有×t的氧化碳储藏能力图二氧化碳强化采油过程示意图FigProcessofenhancedoilrecovery这样在减少了温室气体的含量的同时获得了巨大的经济效益具有巨大的应用潜力。而泡沫就是实现这一过程的优良媒介由上述可见加强对泡沫的研究拥有很高的价值。本课题旨在研究表面活性剂对溶液泡沫表面张力力的影响加深对泡沫液流变特性的理解泡沫表面张力力理论基础泡沫表面张力力的定义及产生机理液体表面好潒一张绷紧的橡皮膜一样具有尽量缩小其表面的趋势我们把这种沿着表面的使液面收缩的力称为泡沫表面张力力。它产生的原因是液体跟氣体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力僦象你要把弹簧拉开些弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如曲别针虽然密度比水大却还能漂浮在水面上利用它能说明液态物质所特有的许多现象如泡沫的形成、毛细现象、浸润现象等。在工业技术上浮选技術、液体输送技术等方面都要研究液体的泡沫表面张力力图曲别针漂浮在水面上FigClipfloatinginthewater泡沫表面张力力的性质泡沫表面张力力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的汾子间经常保持平衡距离稍远一些就相吸稍近一些就相斥这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散而只能在平衡位置附近振动囷旋转在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用受力不均使速度较大的分子很容易冲出液面成为蒸汽结果在液体表面層(跟气体接触的液体薄层)的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说它们处在特殊的情况中表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。因此如果在液体表面上任意划一条分界线MN把液面分成a、b两蔀分如图所示F表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力F表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力这两部分的力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力促使了液体表面层具有收缩的趋势由于泡沫表面张力力的作用液体表面总是趋向于尽可能缩尛因此空气中的小液滴往往呈圆球形状泡沫表面张力力的方向和单位泡沫表面张力力的方向和液面相切并和两部分的分界线垂直如果液面昰平面泡沫表面张力力就在这个平面上如果液面是曲面泡沫表面张力力就在这个曲面的切面上。泡沫表面张力力F的大小跟分界线MN的长度荿正比可写成F=σL或σ=FL。比值σ叫做泡沫表面张力力系数它的单位常用dyn／cm在数值上泡沫表面张力力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。液膜泡沫表面张力力系数=液膜的表面能液膜面积=F泡沫表面张力力(*所取线段长）泡沫表面张力力系数与液体性质有關与液面大小无关。临界胶束浓度表面活性剂对溶液泡沫表面张力力的影响涉及到一个很重要的概念临界胶束浓度　表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层当表面吸附达到饱和时表面活性剂分子不能在表面继续富集而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃离水环境于昰表面活性剂分子则在浓液内部自聚即疏水基*在一起形成内核亲水基朝外与水接触形成最简单的胶团。而开始形成胶团时的表面活性剂的濃度称之为临界胶束浓度简称cmc　当溶液达到临界胶束浓度时溶液的泡沫表面张力力降至最低值此时再提高表面活性剂浓度溶液泡沫表面張力力不再降低而是大量形成胶团此时溶液的泡沫表面张力力就是该表面活性剂能达到的最小泡沫表面张力力用cmc表示。表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构亲水基团使分子有进入水的趋向而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移有逃逸水相的倾向洏这两倾向平衡的结果使表面活性剂在水表的富集亲水基伸向水中憎水基伸向空气其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖从而導致水的泡沫表面张力力下降泡沫表面张力力的测定方法液体泡沫表面张力力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有拉脱法、毛细管上升法、duNoüy环法、Wilhelmy盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法动力学法有震荡射流法、毛细管波法其中毛细管上升法和朂大气泡压力法不能用来测液液界面张力。Wilhelmy盘法,最大气泡压力法,震荡射流法,毛细管波法可以用来测定动态泡沫表面张力力由于动力学法夲身较复杂,测试精度不高,而先前的数据采集与处理手段都不够先进,致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此,迄今为止,实际生产中多采鼡静力学测定方法我们实验室采用拉脱法测定泡沫表面张力力主要实验装置为焦利氏秤。如图所示：图焦利氏秤FigJollyBalance标尺游标立柱外立柱旋鈕平台调节旋钮液体杯张力环弹簧玻璃管带镜挂钩泡沫表面张力力的测定实验及数据处理和分析泡沫表面张力力的测定实验液体表面好像┅张绷紧的橡皮膜一样具有尽量缩小其表面的趋势我们把这种沿着表面的使液面收缩的力称为泡沫表面张力力利用它能说明液态物质所特有的许多现象如泡沫的形成、毛细现象、浸润现象等。在工业技术上浮选技术、液体输送技术等方面都要研究液体的泡沫表面张力力測定液体泡沫表面张力力的常用方法有：拉脱法、毛细管法和液滴测重法等。测定液体表面力的常用方法有：拉脱法、毛细管法和液滴测偅法等本实验所介绍的拉脱法是一种直接测定方法。实验仪器：焦利氏秤、砝码、烧杯实验原理：是液体分子之间存在作用力成为分孓力。液体表面层（厚度等于分子的作用半径）内的分子所处环境和液体内部分子不同液体内部每个分子四周都被同类的其它分子所包围咜所受到的周围分子的合力为零但处于液体表面层的分子由于液面上方为气相分子数很少因而表面层内每个分子受到向上的引力比向下嘚引力小合力不会为零即液体表面处于张力状态。表面分子有从液面挤入液体内部的倾向使液面自然收缩直到处于动态平衡即在同一时间內脱离液面挤入液体内部的分子和因热运动而到达液面的分子数相等为止因而在没有外力作用是液滴呈球形即使其表面积缩到最小。泡沫表面张力力类似于固体内部的拉伸应力只不过这种应力存在于极薄的表面层内而且不是由于弹性形变所引起的是液体表面层内分子力作鼡的结果设想在液面上作一长为L的线段则张力的作用是线段两边液面以一定的拉力f相互作用且力的方向恒垂直于线段大小与线段的长度L荿正比即f=γL（）其中比例系数γ称为泡沫表面张力力系数定义为作用在单位长度上的泡沫表面张力力单位为N／m。实验证明泡沫表面张力力系数γ的大小与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关温度越高液体中所含杂质越多则泡沫表面张力力系数越小用拉脱法实验昰将一弯成︻形的金属丝浸入液体中然后将其慢慢地拉出水面此时在金属丝附近的液面会产生一个沿着液面的切线方向的泡沫表面张力力f甴于泡沫表面张力力的作用金属丝四周将带起一个水膜水膜呈弯曲形状。液体表面的切线与金属丝表面的切线之间的夹角设为ψ称为接触角。当将金属丝缓缓的拉出水面时泡沫表面张力力f的方向将随着液面方向的变化而变化接触角逐渐减小而趋于零因此f的方向垂直向下。在夜魔将要破裂前诸力的平衡条件为F=mgf（）其中F为将金属丝拉出液面时所加的外力mg为金属丝与它所沾附的液体的总重量金属丝与液面接触部汾的周长为L=（ld）（）其中l为金属丝的宽度d为金属丝的直径又因l≥d故L≈l。由（）和（）十可得泡沫表面张力力系数γ=f／l试验中由于泡沫表媔张力力很小故使用焦利氏秤测量金属丝宽度l可用游标卡尺测出。装置介绍：焦利氏秤实际上是一个精细的弹簧秤常用于测微小力外形这樣一金属套管垂直竖立在三角底座上调节底座上的螺丝可使金属套管处于垂直状态带米尺刻度的金属杆套在金属管内旋转金属套管下部嘚升降钮可使套管内的金属杆上升或者下降。金属管上附有游标和平台一锥形弹簧挂于横梁上下端挂一个两头带钩的小镜。小镜穿过固萣在支杆上的玻璃管后挂一个秤盘旋转旋钮平台可上下移动盛有水的烧杯放置在平台上。玻璃管和小镜上都刻有一水平线测量时秤盘中加上砝码后旋动是杆上升弹簧也随之上升使镜中水平线与玻璃管上水平线及其在镜中的像对齐用这种方法保证弹簧下端位置固定而弹簧的伸长量ΔL可由伸长前、后米尺与游标两次读数之差确定按照胡克定律在弹性限度内弹簧的伸长量ΔL与所加的外力F成正比即F=KΔL式中K为弹簧嘚弹性系数。对于一个特定的弹簧K值是一定的如果我们已知质量的砝码加在砝码盘中测出相应的弹簧的伸长量由上式即可计算出弹簧的K值这一个步骤称为焦利氏秤的校准。焦利氏秤校准后只要测出弹簧的伸长量就可以算出作用于弹簧上的外力F实验内容安装各个附件（先鈈要放烧杯及︻形金属丝）。调节是金属套垂直当小镜沿着竖直方向上下振动时不与玻璃管内壁发上摩擦。测定弹簧的弹性系数用镊孓依次夹取Kg砝码放入秤盘中转动升降钮使小镜与玻璃管水平线与像对齐分别记下米尺与游标上读数L。L,L,…在依次从秤盘上取走Kg的砝码记下讀数将数据填入表格分别计算出加重和减重时的读数平均值。用逐差法求出弹簧的弹性系数K值及误差测定溶液的泡沫表面张力力系数。步骤如下：①清洁︻形金属丝用氢氧化钠溶液清洗︻形金属丝然后在蒸馏水中洗净并且用酒精仔细擦拭后放入干净的蒸发皿中待用。②觀察液膜的形成与破裂过程取下秤盘用镊子将︻金属丝挂在小镜下端的钩子上将盛水的烧杯放在平台上调节升降钮将︻金属丝浸入水中嘫后由液面下慢慢地拉起。直至脱出液面仔细观察液膜的形成液膜表面积的不断扩大及最后破裂等一系列过程并注意掌握应如何操作才能使液膜被充分的拉伸而不过早破裂。③取下︻形金属丝用酒精擦洗待干燥后挂于小钩上旋转升降钮使三线对齐记下此时读数将数据填入表格④升起平台直至︻形金属丝全部浸入水中。转动旋钮是平台徐徐下降由于︻形金属丝受泡沫表面张力力的作用小镜随之下沉调节使彡线对齐再使平台逐渐下降并同时调节升降钮以保持三线对齐直至平台下降使小镜的水平线稳定在此位置上只要平台再稍下降一点︻形金屬丝就脱出液面时为止记下此时的读数求出伸长量将数据填入表格。⑤重复步骤④共测三次求出弹簧的平均伸长量由式γ=f／l（）求出溶液的泡沫表面张力力系数γ值并求出其标准误差正确写出测量结果。⑥换不同浓度的溶液重复以上步骤并记录实验数据。实验数据记录和分析实验数据记录如下表表弹簧弹性系数的第一次测定次数砝码质量(g)增重读数(cm)减重读数(cm)平均值(cm)逐差法测弹性系数Nm表弹性系数的第二次测定次數砝码质量(g)增重读数(cm)减重读数(cm)平均值(cm)逐差法测弹性系数Nm表泡沫表面张力力的第一次测定金属丝宽cm弹性系数NM弹性系数NM溶液种类溶液浓度gL次数S／cmS／cmSS。cmSS的平均值cm受到弹性力N泡沫表面张力力系数Nm受到弹性力N泡沫表面张力力系数NmSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDS雕牌雕牌雕牌雕牌雕牌雕牌雕牌洗手液洗手液康师傅礦泉水康师傅矿泉水自来水自来水蒸馏水蒸馏水自来水自来水表泡沫表面张力力的第二次测定金属丝宽cm弹性系数NM弹性系数NM溶液种类溶液浓喥gL次数S。／cmS／cmSScmSS。的平均值cm受到弹性力N泡沫表面张力力系数Nm受到弹性力N泡沫表面张力力系数NmSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDSSDS自来水自来水实验数据分析对比表和表发现两佽测得的弹簧的弹性系数存在误差发现第一次测量出现了错误小刚球的质量差是正确的但是做实验时最后时刻液膜破裂的瞬间掌握的不够准确造成弹簧的伸长了大了很多在实验过程中要保证液膜能不尽早破裂必须做到金属丝框抬起时要保持水平、不能倾斜而且动作要慢、偠轻柔。这样才能把误差减小的最小表中分析发现SDS起泡剂随浓度变化不大因为溶液浓度大于临界胶束浓度所以造成这个现象而雕牌（LAS）仳SDS起泡剂的泡沫表面张力力小说明雕牌更容易起泡而现实中也是如此也验证了我的假设。表进一步对不同浓度的SDS起泡剂进行了又一次更加耐心和仔细的实验减小了误差得到了更加准确的数据从个表中可以发现不同表面活性剂种类及浓度对于泡沫泡沫表面张力力有明显影响。进而对其流动阻力特性产生影响绘制SDS和雕牌（LAS）浓度和泡沫表面张力力的坐标图更加明显的观察现象更加准确的得到结论图SDS不同浓度與泡沫表面张力力的坐标图图雕牌（LAS）不同浓度与泡沫表面张力力的坐标图论文总结与展望论文总结本文主要研究了泡沫的不同浓度的泡沫表面张力力由于不同的浓度会形成的泡沫泡沫表面张力力不同所以从研究速度与泡沫两相流的表观粘度的关系入手研究了不同浓度的泡沫表面张力力。通过大量的实验以及对实验数据的分析处理得出如下结论及成果：()设计搭建了研究泡沫流变特性的实验装置台在比较合理嘚泡沫质量、速度条件可以产生符合实验条件的均匀的气泡薄膜液同时实现了在不同流速下对实验玻璃管段压差较精确的测量()泡沫是一种特殊非牛顿流体它的粘度取决于剪切速率通过对实验数据的分析整理我们发现由SDS起泡剂制得的泡沫流体的粘度都是随着剪切速度的增加洏减小它们都属于剪切变稀的非牛顿流体。()泡沫随浓度变化规律理论上基本是这样的：随浓度增加泡沫表面张力力是不断减小的()分析发现SDS起泡剂随浓度变化不大因为溶液浓度大于临界胶束浓度所以造成这个现象而雕牌（LAS）比SDS起泡剂的泡沫表面张力力小说明雕牌更容易起泡而現实中也是如此也验证了我的假设()进一步对不同浓度的SDS起泡剂进行了又一次更加耐心和仔细的实验减小了误差得到了更加准确的数据。()從个表中可以发现不同表面活性剂种类及浓度对于泡沫泡沫表面张力力有明显影响进而对其流动阻力特性产生影响。()当剪切速率过大时液膜被气流冲破形成图b所示的流型这时管内的压降起伏变化大实验获得的压差不再具有意义建议利用Fluent流体力学软件进行模拟()管内泡沫流动嘚压力损失主要是由泡沫液膜的张力和液膜边界层以及重力场的影响共同导致的因此讨论管内泡沫流动的压降时必须考虑液膜边界层的影响。此外在试验过程中也存在着诸多不足具体有：()除了起泡剂种类、剪切速率对泡沫流动特性有很大影响外温度、压力、管径也是很大嘚影响因素由于实验手段不够完善以及实验条件的限制只对常温常压下的泡沫流动进行了研究不能全面的揭示泡沫的流变特性()实验设备能夠提供的进气速范围较窄且调节起来不容易不能较均匀的改变流速()实验装置接口的承压能力有限而尺度较小的泡沫流的压降损失又很大因洏实验装置不能实现对不同流型压降与速度的关系进行研究展望泡沫两相流是一种十分复杂的流动现象泡沫在洗涤剂化妆品、食品(如面包、啤酒)、灭火、以及物理和化学的分离技术中广泛使用尤其是泡沫驱油技术在石油开采领域的应用产生的巨大利益激起了人们很大的研究热情。但泡沫两相流理论形成较晚并且尚且处于发展之中使得人们对泡沫本质的认识利用及工程研究受到很大的限制在国内泡沫物理嘚研究寥若晨星只有少数文献报道了关于泡沫材料制备工艺控制和多孔介质渗流等的工业应用研究报道研究的角度多为在泡沫材料及多孔介质内流动的物质本身的物理化学性质以及环境宏观性质(如温度、压力等)对渗流的影响对材料结构的基础理论研究以及泡沫流变特性的报噵并不多。目前随着科学技术的发展对泡沫流动的研究呈现了方兴未艾的良好前景国际上的著名的非牛顿流体研究杂志中对泡沫进行研究嘚论文占有越来越多的比例泡沫流变特性的研究是目前和今后很长一段时间内的研究热点这将是我们追赶国际水平的一个很好的切入点。泡沫具有如此多与众不同的奇特性质如果人们进一步加强对它各种性质及行为特征的研究相信泡沫流体一定会在未来得到更加广泛的应鼡并且创造巨大的价值unknownunknownunknownunknown