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编者按:
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一、什么是泡沫?
泡沫定义:泡沫是一种分散体系,由不溶性气体分散在液体或熔融固体中形成。
我们以日常生活中的例子来说明。当我们摇晃一个密闭的矿泉水瓶时,会产生泡沫。这些泡沫很快就会破灭。但如果我们摇晃的是肥皂水,泡沫会变得更丰富且不易破灭,甚至可以被用来吹泡泡。这是什么原因呢?
要解释这一现象,我们需要了解一个概念——“排水效应”。在重力的作用下,泡沫中的水会自然流下。
无论矿泉水还是肥皂水,都会受到排水效应的影响。但为什么肥皂水的泡沫能持续更长时间呢?这并不是因为纯水有问题,而是因为肥皂水中存在一些可以对抗排水效应的物质。这些物质就是表面活性剂。
表面活性剂的结构:表面活性剂的结构通常由一个亲水基和一个憎水基(疏水基)组成。这两个基团带有不同的电荷,赋予了表面活性剂一定的极性。在水中,表面活性剂的分布方式如下图所示:
![表面活性剂在水中的分布方式](https://p3-sign.toutiaoimg.com/pgc-image/SAcKP92HPtO6yr~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1715592041&x-signature=tsm3HB1UIsr%2F861E6JxTP5hc508%3D)
亲水基朝向内部,憎水基朝向外部
泡沫的形成:当只有一层水时,表面活性剂的分布方式如下图所示:
![表面活性剂在泡沫中的分布方式](https://p3-sign.toutiaoimg.com/pgc-image/SAcKPYi6aFqZzV~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1715592041&x-signature=RchtOIQCjEt0Puk03cu3aPP2StM%3D)
疏水基朝向外部气相,亲水基朝向液内
根据前面的排水效应,液相中的水会不断下流。由于表面活性剂的存在,情况发生了变化。
电荷排斥效应:亲水基带有相同的电荷,会相互排斥。这种电荷排斥撑起了泡沫层,在垂直方向保持了泡沫的稳定性。
![电荷排斥效应](https://p3-sign.toutiaoimg.com/pgc-image/SAcKPZ92ADCnko~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1715592041&x-signature=5KrFFqrqF1lf5niTiFSJHWwk0gw%3D)
Maragoni效应:在泡沫的内外层,亲水基之间、疏水基之间都存在电荷排斥。这种排斥力从横向撑起了泡沫层。
![Maragoni效应](https://p3-sign.toutiaoimg.com/pgc-image/SAcKPZX5TiACzm~noop.image?_iz=58558&from=article.pc_detail&lk3s=953192f4&x-expires=1715592041&x-signature=gVA8ZB8BH8kFALPGlN1cPudStOQ%3D)
总结:
1. 只要有液气混合就会产生泡沫,但排水效应会加速泡沫消失。我们所说的泡沫实际是一种“稳泡”。
2. 表面活性剂是常见的“稳泡”物质。

二、洗发水的清洗机制

1.我们洗去的是什么?

答:头发上的污垢主要是分泌的皮脂、汗渍、头皮屑、来自外界的灰尘、发用品的残留,如发蜡、发胶等。在这些污垢里面,能溶于水的都好办,可以用水简单冲洗干净。一些粒径较大的物理颗粒也好办,用手轻柔搓洗,基本上都可以洗干净。比较难洗去的就是皮脂,这是我们日常生活中普遍遇到的问题,比如洗碗、洗衣服时油污的去除往往比较困难。

我们洗衣服要用洗衣粉;洗碗,要用洗洁精;洗手,要用洗手液;洗脸,要用洗面奶;洗头发,就要用洗发水啦。万变不离其宗,这些日化品的核心成分都包含——表面活性剂。

2.洗发水工作原理

洗发水中含有10-20%的表面活性剂,这个浓度已经很高了,你只需将洗发水兑点水在手上搓搓,就会产生泡沫,这正是表明表面活性剂在起作用稳泡。

仔细研究一下洗发水的内部结构,由于浓度远超cmc(临界胶束浓度),表面活性剂不光分布在表面,更会在内部形成“胶束”,亲水基朝外,憎水基朝内,如下图:

中间形成球状就是胶束

而当这些胶束接触到油污后,“久旱逢甘霖”的憎水基(亲油基)就如同下图一般,紧密团结在油污周围,将它裹的严严实实,密不透风。这些胶束带着油垢一起,从毛发或皮肤上脱落,溶入水中,如下图:

这个过程叫做乳化,通过表面活性剂将油性物质和水互溶,外观上形成乳液的效果。其实,也并不是所有的乳液都和牛奶一样,很多看起来清澈透明的化妆水也是乳液的一种,只不过是微乳液。

不同粒径乳液的外观不一样,粒径越小,越澄清透明。

三、回到问题:为啥“起的沫少就脏,起的沫多就干净”呢?

这表面活性剂也不是永动机,也要遵循能量守恒和物质不灭这些基本法,当一部分表面活性剂形成了胶束,当好了“乳化”的差事,它们就无法再分身,去做“起泡”的活了。

除此以外,这里更需要考虑另一个效应,就是油的消泡效应。没错,表面活性剂有稳泡的能力,一物降一物,那么我们就必须研究出来一个消泡的,消泡剂一般有:矿物油、有机硅等,特征就是表面张力比较低的物质。一般公认的消泡机理是:消泡物质必须不溶于起泡液且表面张力低于起泡液,这些不溶于起泡液的颗粒物进入泡膜内部后,引起泡沫不稳定而让泡沫破裂。

上述消泡机理

现在主流的消泡机理就有四种,化学工程师们都很谦虚,他们认为没有一种可以概括所有的消泡现象。chemistry=chem is try,这真是化学化工有意思的地方。从我们生活经验来说,如果过了好几天再洗头,洗发水起的泡泡确实是少很多的,这并不是洗发水变质了,而是来自以上的道理,我们每个人都可以去试试。

我们还可以得出一个引申的结论,并不是泡沫多才说明洗发水效果好,现在很多领域都已经开始研发使用低泡的表面活性剂,比如低泡洗衣液等,因为泡沫多了,你家的洗衣机就要溢出了,这从另一个方面说明,泡沫并不是越多越好。

表面活性剂是一门很神奇的科学,它可