消泡劑概述

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泡沫

　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，只要涉及到攪拌的都會(huì)存在泡沫的問(wèn)題，如制漿造紙、紡織印染、涂料加工、污水處理、生物發(fā)酵、石油開(kāi)采與精煉、建筑工業(yè)、粘合劑等等。這些工業(yè)過(guò)程中的泡沫可能會(huì)造成很多問(wèn)題，如生產(chǎn)能力減小、原料浪費(fèi)、反應(yīng)周期延長(zhǎng)；產(chǎn)品質(zhì)量下降等等。

　　由此可見(jiàn)，有害泡沫的控制和消除具有極大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)意義。

　　泡沫是有大量氣泡分散于液體中的一種分散體系，其分散相為氣體，連續(xù)相為液體。由于氣泡的相對(duì)密度小于液體的，液體中的氣泡會(huì)上升到液面，形成了以少量液體構(gòu)成的液膜隔開(kāi)的氣泡聚集物，亦即泡沫。

　　泡沫是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，影響其穩(wěn)定性的因素有液體的表面張力、界面膜的性質(zhì)、表面張力的修復(fù)作用、表面電荷、泡沫氣體的擴(kuò)散以及添加的表面活性劑的結(jié)構(gòu)等。

消泡劑

　　顧名思義是消除泡沫的一種助劑。工業(yè)過(guò)程中的泡沫消除基本依靠消泡劑。

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消泡機(jī)理

　　溶液體系中加有表面活性劑時(shí)，在氣泡表面吸附著定向排列的一層表面活性劑分子，當(dāng)其達(dá)到一定濃度時(shí)，氣泡壁就形成了一層堅(jiān)固的薄膜。表面活性劑吸附在氣液界面上，造成液面表面張力下降，從而增加了氣液接觸面，這樣氣泡就不易合并。當(dāng)氣泡上升透過(guò)液面時(shí)，把液面上的一層表面活性劑分子吸附上去。因此，暴露在空氣中的吸附有表面活性劑的氣泡膜同溶液里的氣泡膜不一樣，它包有兩層表面活性劑分子，形成雙分子膜，被吸附的表面活性劑對(duì)液膜具有保護(hù)作用。

　　消泡劑的作用就在于破壞和抑制上述液膜的形成。消泡劑的表面張力較低，易在溶液表面鋪展，進(jìn)入氣泡液膜后，頂替原來(lái)液膜表面上的表面活性分子，使接觸處的表面張力降低得比液膜其他處的更低。由于泡沫液膜的表面張力高，將產(chǎn)生收縮力，使表面張力低的液膜被四周牽引、延展，形成強(qiáng)度較差的膜，慢慢地變薄，不能產(chǎn)生有效的彈性收縮力而失去自我修復(fù)作用，其黏度也大大降低，泡沫液膜的排液速度和氣體的擴(kuò)散速度加快，泡沫的壽命變短，最后破裂得以消除。

　　總之，加入消泡劑可使溶液體系中泡沫液膜的表面張力升高，失去自我修復(fù)作用，黏度降低，最終導(dǎo)致該液膜的力學(xué)平衡受到破壞而使泡沫破裂，達(dá)到消泡的目的。

　　一種好的消泡劑同時(shí)兼具消泡、抑泡作用，即應(yīng)該迅速使泡沫破壞，而且能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)防止泡沫生成。常常發(fā)現(xiàn)有些消泡劑在加入溶液一定時(shí)間后，就喪失了效力，要防止泡沫生成，還需再加入一些消泡劑。發(fā)生此種情況的原因，可能與溶液中起泡劑(表面活性劑)的臨界膠束濃度cmc是否超過(guò)有關(guān)。在超過(guò)該濃度的溶液中，消泡劑(一般為有機(jī)液體)有可能被增溶，以致于失去在表面鋪展的作用，消泡效力大減。開(kāi)始加入消泡劑時(shí)，其在表面鋪展速度大于增溶速度，表現(xiàn)出較好的消泡效果；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，隨著消泡劑被逐步增溶，消泡效果相應(yīng)減弱。

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消泡劑種類

（1）第一代消泡劑

　　第一代消泡劑為礦物油、脂肪酸及脂肪酸酯、脂肪酰胺、低級(jí)醇類等有機(jī)物。

　　礦物油如火油、松節(jié)油、液體石蠟等。可用于印花色漿、造紙等行業(yè)。

　　脂肪酸及脂肪酸酯類如牛油、豬油、豆油、蓖麻油、硬脂酸乙二醇酯、失水山梨醇單月桂酸酯等。此類消泡劑可用于造紙、紙漿、染色、建筑涂料、發(fā)酵等。

　　醇類如椰子醇、己醇、環(huán)己醇。可用于制糖、發(fā)酵石油精制等。

　　酰胺類如二硬脂酰乙二胺、二棕櫚酰乙二胺等。

　　有機(jī)類消泡劑價(jià)格低廉，目前市場(chǎng)上仍在大量使用。它適合于在液體剪切力較小，所含表面活性劑發(fā)泡能力較溫和的條件下使用，但對(duì)致密型泡沫的消除能力較差。由于有機(jī)消泡劑的應(yīng)用領(lǐng)域具有多樣性與特殊性，它往往具有專用性，市場(chǎng)份額已不斷萎縮，因此在應(yīng)用上有局限性。但是有些特殊的行業(yè)如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等就需要像聚四氟乙烯這類耐酸堿的有機(jī)消泡劑。近年來(lái)，出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，天然油脂類消泡劑的地位又有了提高。

（2）聚醚類消泡劑

　　第二代消泡劑是聚醚類消泡劑。

　　聚醚是分子量較低的聚氧乙烯-聚氧丙烯的嵌段共聚物。它是一種性能優(yōu)良的水溶性非離子表面活性劑，與水接觸時(shí)，醚鍵中的氧原子能夠與水中的氫原子以微弱的化學(xué)力結(jié)合，形成氫鍵，分子鏈節(jié)成為曲折形，疏水集團(tuán)置于分子內(nèi)側(cè)，鏈周圍變得容易與水結(jié)合，當(dāng)溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)較為劇烈時(shí)，曲折形的鏈會(huì)變?yōu)殇忼X形，失去了與水的結(jié)合性，由低溫溶解狀態(tài)升溫到呈現(xiàn)混濁的溫度，這就是聚醚的濁點(diǎn)，只有當(dāng)發(fā)泡體系的溫度超過(guò)濁點(diǎn)溫度時(shí)，聚醚消泡劑才發(fā)揮消泡作用。

　　在制備過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)原料氧乙烯、氧丙烯的比值及分子量，就可改變其濁點(diǎn)，從而適用于不同場(chǎng)合。聚醚消泡劑自1954年首先由美國(guó)Wyandott公司投產(chǎn)后已經(jīng)得到迅速發(fā)展，特別是60年代，隨著聚醚工業(yè)的迅速發(fā)展，聚醚類消泡劑發(fā)展更為迅速。我國(guó)是在1967年研制成功并投入生產(chǎn)的。

　　聚醚型消泡劑主要有直鏈聚醚和由醇、氨為起始劑的聚醚或端基酯化的聚醚衍生物。

　　聚醚消泡劑應(yīng)用范圍極廣，它是造紙行業(yè)不可缺的助劑品種，而且在日用化學(xué)、紡織、石油、食品、橡膠等許多工業(yè)中都有重要的應(yīng)用。但因選擇性的關(guān)系至今有些領(lǐng)域仍不能使用。因此，目前必須提高國(guó)內(nèi)聚醚型消泡劑的產(chǎn)品質(zhì)量，研制出不同結(jié)構(gòu)的聚醚表面活性劑。

　　聚醚消泡劑最大的優(yōu)點(diǎn)是抑泡能力較強(qiáng)，是目前發(fā)酵行業(yè)應(yīng)用的主導(dǎo)消泡劑。但它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)是破泡率低，一旦產(chǎn)生了大量的泡沫，它不能一下有效地?fù)錅纾切枰录右欢康南輨┎拍苈鉀Q問(wèn)題。

　　第一和第二代消泡劑在一定條件下確實(shí)具有一定的消泡作用，但這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征決定了它們又具有一定的發(fā)泡作用，當(dāng)條件改變時(shí)，第一、二代消泡劑很可能變?yōu)榘l(fā)泡劑或失效。因此為了適應(yīng)消泡要求和操作條件多變的情況，開(kāi)發(fā)了有機(jī)硅消泡劑即第三代消泡劑。

（3）有機(jī)硅類消泡劑

　　有機(jī)硅類消泡劑是目前染整、食品、發(fā)酵、造紙、化工生產(chǎn)、粘合劑、膠乳、潤(rùn)滑油等行業(yè)中使用較廣泛的一類消泡劑。

　　我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制和使用有機(jī)硅消泡劑，近年來(lái)，取得了較好的效果。但從整體上來(lái)看，檔次較低，品種亦較簡(jiǎn)單，與國(guó)外相比有較大差距。目前一些引進(jìn)裝置上用的高效有機(jī)硅消泡劑還主要依賴進(jìn)口。

　　有機(jī)硅消泡劑由于其應(yīng)用場(chǎng)合的廣泛性，其國(guó)內(nèi)外商品型號(hào)不下幾十種，一般為聚二甲基硅氧烷，某些場(chǎng)合也需要乙基、羥基、苯基等硅氧烷。二甲基硅油屬于MDnM型的線型聚甲基硅氧烷，分子中為易繞曲的“之”字形鏈，分子結(jié)構(gòu)決定了它有以下特性：

　　表面張力低：聚二甲基硅氧烷的表面張力比水、表面活性劑水溶液及一般油類都要低，因而很適宜作消泡劑；

　　在水及一般油中的溶解度低且活性高：聚硅氧烷分子結(jié)構(gòu)特殊，主鏈為硅氧鍵，為非極性分子，與極性溶劑水不親和，與一般油品親和性也很小；

　　揮發(fā)性低并具有化學(xué)惰性：二甲基硅油揮發(fā)性極低，而且還有低的表面張力，二者結(jié)合，使消泡劑可以在廣泛的溫度里起消泡作用；

　　無(wú)生理毒性：一般用作消泡劑的二甲基硅油聚合度較高。而脫除了低聚物的二甲基硅油則是無(wú)生理毒性的。

　　由于這些優(yōu)點(diǎn)，此類消泡劑的商品品種較多，使用量也較大，已成為消泡劑中的主要品種。目前國(guó)內(nèi)市售的有機(jī)硅消泡劑按物理性狀可分為油狀、溶液型、乳液型、固體型四類。

（4）聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑

　　第四代消泡劑是聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑，它是在聚硅氧烷鏈段上通過(guò)改性引入聚醚鏈段。在硅醚共聚物的分子中，硅氧烷鏈段有親油性，聚醚鏈段有親水性。聚醚鏈段中聚環(huán)氧乙烷鏈節(jié)能提供親水性和起泡性，聚環(huán)氧丙烷鏈節(jié)能提供疏水性和滲透力。

　　聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑不僅具有聚硅氧烷類消泡劑消泡效力強(qiáng)、表面張力低、揮發(fā)性低、無(wú)毒、無(wú)污染、生理惰性等特點(diǎn)，而且還具有聚醚類消泡劑的耐高溫、耐強(qiáng)堿性等特性。聚醚改性有機(jī)硅消泡劑是將兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的一種新型高效消泡劑，除此之外還具有許多優(yōu)異的特性。

　　消泡效力強(qiáng)：既有聚硅氧烷所固有的低表面張力、高活性的特點(diǎn)，又具有聚醚在水中易分散的優(yōu)點(diǎn)。因此，不僅比常規(guī)有機(jī)硅消泡劑效力強(qiáng)，而且在某些場(chǎng)合下能夠解決常規(guī)消泡劑所不能解決的問(wèn)題。

　　逆溶解性：聚醚改性聚硅氧烷在低溫下，聚醚鏈與水形成氫鍵可攜帶著聚硅氧烷鏈均勻地?cái)U(kuò)散分布到水中，類似于溶解狀態(tài)；而在溫度升高時(shí)，隨著氫鍵的破壞，聚醚鏈親水性變差，直到濁點(diǎn)時(shí)，失去了親水性，使整個(gè)聚硅氧烷聚醚鏈成為不溶解狀態(tài)時(shí)，才發(fā)揮消泡作用。聚硅氧烷聚醚型共聚物具有低溫溶解，高溫不溶解性，有力地提高了聚硅氧烷應(yīng)用性能。

　　依據(jù)上述特性，可以很方便地根據(jù)體系所需消泡的溫度來(lái)選擇具有相應(yīng)濁點(diǎn)的聚硅氧烷聚醚型消泡劑。此外，逆溶解性的方便之處，還可以用在低溫不溶解于水的體系中，用低于其濁點(diǎn)的冷水，將溶解狀態(tài)的消泡劑沖洗干凈。

　　自乳性：聚硅氧烷聚醚型共聚物在適宜的溫度下，將其加入水中會(huì)自發(fā)地形成聚硅氧烷鏈段卷曲在內(nèi)部、聚醚段伸展在外部的分散狀態(tài)，在水中形成膠團(tuán)。這種性質(zhì)稱為“自乳性”。自乳性使聚硅氧烷聚醚型消泡劑能在起泡液中均勻分散，有助于充分發(fā)揮消泡作用。

　　穩(wěn)定性：聚硅氧烷聚醚消泡劑由于具有良好的自乳性，因此在水中有很好的分散穩(wěn)定性。—Si—O—C—鍵連接的共聚物易于水解，化學(xué)穩(wěn)定性較差，但不影響消泡作用。—Si—C—鍵連接的共聚物則比較穩(wěn)定，各類聚硅氧烷聚醚型消泡劑的熱穩(wěn)定性都比較好。在有效期內(nèi)，均可用于沸騰狀態(tài)的水體系，甚至可用于高溫130℃的起泡水體系。

　　無(wú)毒：聚硅氧烷聚醚消泡劑允許作為間接食品添加劑添加到食品的包裝紙中。

　　唐納德等在五十年代初，首先合成出這類共聚物，近年來(lái)這一類型的消泡劑發(fā)展很快，已經(jīng)衍生成一系列產(chǎn)品，與聚醚型消泡劑、聚硅氧烷型消泡劑，形成鼎立的三大合成消泡劑。

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消泡劑發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在各種工業(yè)中要使用大量的助劑，但這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的危害泡沫。為了提高生產(chǎn)效率，消泡劑就成為不可缺少的化學(xué)助劑。有機(jī)硅消泡劑、聚醚消泡劑和礦物油消泡劑是當(dāng)今時(shí)代的消泡主體品種。如何進(jìn)一步提高消泡劑的性能，降低消泡劑產(chǎn)品的用量成了科研工作者的重要任務(wù)。針對(duì)這3種類型的消泡劑應(yīng)該主要發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1)有機(jī)硅消泡劑在不同的行業(yè)中有著不同的側(cè)重點(diǎn)，提高有機(jī)硅消泡劑的品質(zhì)是至關(guān)重要的，其品質(zhì)主要包括抑泡性能、消泡性能、穩(wěn)定性、相容性、抗剪切性能等等；

(2)通過(guò)研究聚醚的結(jié)構(gòu)與組成提高聚醚型消泡劑的抑泡性能；

(3)提高礦物油型產(chǎn)品的分散性、穩(wěn)定性、消抑泡性能；

(4)通過(guò)對(duì)有機(jī)硅分子進(jìn)行設(shè)計(jì)與改性，針對(duì)具體的行業(yè)有具體的消泡劑類型。