黄原胶与羧甲基纤维素钠协同稳定泡沫的流变学-气泡结构互作机制及排水延迟预测模型研究

【编辑推荐】本研究针对高粘度非牛顿流体泡沫稳定性难题，通过调控黄原胶(XG)和羧甲基纤维素钠(CMC)浓度，揭示了泡沫屈服应力(τf)与高原边界局部应力(τg)的互作机制，建立临界气泡直径(Dc)预测模型（误差25%），为食品加工、石油开采等工业应用提供理论指导。

　　

泡沫在消防、食品、石油开采等领域应用广泛，但其高界面自由能导致稳定性差的问题长期困扰工业界。传统表面活性剂稳定的泡沫易快速坍塌，而添加黄原胶(Xanthan gum, XG)和羧甲基纤维素钠(Sodium carboxymethyl cellulose, CMC)等聚合物虽能提升稳定性，但高粘度非牛顿流体中泡沫的排水延迟机制尚不明确。中国科学技术大学的研究团队通过系统研究，在《Carbohydrate Polymers》发表论文，首次提出泡沫排水延迟受τ_f与τ_g动态平衡调控的理论，并建立可量化预测的数学模型。

研究采用12种XG/CMC复合体系，通过旋转流变仪测定零剪切粘度，结合定制排水装置观测泡沫结构演化。关键发现包括：当气泡直径小于临界值(D_c)时（即τ_f≥τ_g），排水被完全抑制；泡沫膨胀比与气泡直径呈负二次方关系；XG溶液因更强的剪切稀变特性更利于形成小气泡。建立的D_c预测模型整合了零剪切粘度、膨胀比等参数，误差仅25%。

【材料与方法】
团队选用APG0810和FC1157表面活性剂，配制不同浓度XG(M=729,350)和CMC(DS=0.81)溶液。通过悬滴法测定表面张力，旋转流变仪分析稳态/振荡剪切流变特性，高速摄像记录气泡尺寸分布，自主设计装置量化排水动力学。

【主要结果】

1. 表面与界面性质
   • 所有溶液平衡表面张力为15.7-16.9 mN/m，与聚合物浓度无关
   • XG溶液在气泡寿命初期表现出更显著的表面张力瞬态变化

2. 流变学行为
   • XG溶液剪切稀变指数(n=0.28)显著低于CMC(n=0.52)
   • 储能模量(G')随浓度升高呈指数增长，XG体系凝胶强度更高

3. 泡沫稳定性机制
   • 膨胀比(Φ)与气液雷诺数(Re)相关：当液体Re<9时Φ<5
   • 临界条件公式：D_c=k(η₀Φ)^-0.5，k为材料常数
   • 排水延迟时间与τ_f/τ_g比值呈线性相关

【结论与意义】
该研究首次建立了非牛顿流体泡沫"流变学-微观结构-宏观性能"的定量关联，提出的τ_f-τ_g竞争机制突破了传统牛顿流体理论框架。模型预测性为工业泡沫配方设计提供新范式：在需要精细泡沫的领域（如食品发泡），可通过调控XG浓度获得更小的D_c值；在石油开采等需长时稳定的场景，则需优化CMC与膨胀比的组合。中国博士后科学基金(GZB20230714)等项目的支持凸显其战略应用价值。