2.1 微凝胶尺寸与结构的独立调控
本研究通过两种策略独立调控微凝胶的尺寸与结构:尺寸系列通过改变十二烷基硫酸钠浓度实现溶胀状态下流体力学半径RH(20°C)从708 nm至358 nm的连续变化,同时保持核壳比例稳定(0.08–0.12),形成“超核壳结构”;结构系列则通过连续投料法调控交联剂分布,使核壳比例从0.11增至0.53,而尺寸基本不变。微凝胶分别标记为µG-R-xx(尺寸系列)和µG-CS-yy(结构系列),其特性通过透射电镜和原子力显微镜验证。
2.2 核壳微凝胶的泡沫形成能力与稳定性
以3 mg/mL的µG-CS-0.1微凝胶分散体为模型,通过恒速通气(20 mL/min)生成泡沫。宏观观测显示,泡沫高度随通气时间线性增加(斜率sfoam= 0.232 cm/s),液相高度同步下降(sliq= -0.038 cm/s),计算得到泡沫平均液含率εmacro为16%。局部图像分析表明,泡沫初始平均Sauter半径RSauter为0.2 mm,老化过程中先以排水主导(20分钟内εmacro降至7%),后转为气泡合并与粗化主导(RSauter从0.5 mm增至2.3 mm)。该泡沫半衰期超过130分钟,证实微凝胶可赋予泡沫长期稳定性。
2.3 微凝胶浓度对泡沫性能的调控
浓度(CµG)从0.5 mg/mL增至7 mg/mL时,泡沫体积和液含率显著提升(εmacro从7%升至30%),气泡尺寸则从0.45 mm减小至0.15 mm。高浓度下微凝胶吸附动力学加速(通过悬滴张力法验证),促使气泡更早脱离孔板并提高界面覆盖率,从而抑制合并。低浓度(CµG≤ 1.5 mg/mL)时出现气体损失(空气损失率达41%),且泡沫高度增长进入非线性区,表明 coalescence 事件加剧。排水速率减缓归因于小气泡效应、界面流动性降低及Plateau边界内微凝胶相互作用增强导致的局部黏度上升。
2.4 微凝胶尺寸与结构对泡沫形成的解耦效应
在固定浓度(1 mg/mL)下,尺寸变化对泡沫高度、气泡尺寸(RSauter≈ 0.2–0.3 mm)及液含率(εmacro≈ 10–12%)均无显著影响,且吸附动力学与尺寸无关;而结构均匀性增加(核壳比例从0.1升至0.5)使泡沫高度增长减缓、气泡尺寸急剧增大(至3.5 mm)、液含率降至2%,并伴随明显coalescence。此现象与均匀结构微凝胶吸附动力学减慢相关,因其表面电荷密度升高(电泳迁移率增加)及 dangling chains 减少,削弱了集体吸附能力。核壳结构通过链缠结增强界面弹性,并通过微观相互作用抑制排水。
2.5 盐添加对吸附动力学与泡沫形成的增强
添加0.1 M NaCl可显著加速µG-CS-0.3的吸附动力学(静电屏蔽效应),使泡沫高度增加、气泡尺寸从1.0 mm减至0.4 mm,空气损失率从41%降至6%。盐诱导的快速吸附提升了界面覆盖率,进而优化泡沫初始结构并延缓老化。
3 结论
PNIPAM微凝胶的核壳结构及浓度是调控Pickering泡沫形成的关键因素,其通过加速吸附动力学实现小气泡、高液含率及高稳定性泡沫的构建。尺寸变化影响微弱,而离子强度调控可作为优化策略。本研究为微凝胶结构设计在泡沫工业中的应用提供了理论依据。