消泡剂的应用与发展

2017-10-11 09:43:01      点击:

泡沫广泛存在于人们生活与生产之中,过量的泡沫会给工业生产和加工带来很多不便,给工业生产带来困难,甚至会影响到产品的质量。

 

泡沫成因

泡沫的产生是在机械力作用下,使不溶性气体进入到液体中,并被液体相互隔离成非均匀体系,从而形成大量气—液界面的结果。因为气相的密度小于液相的密度小于固相的密度,所以就会有气相随着浮力的作用下向液面移动的现象,产生两相泡沫或三相泡沫。起泡液几乎都是溶液,纯净液体一般不起泡。如果搅拌液体时,液体表面得产生一层较稳定的液膜,这时气体无法一直向外逃逸,产生的气泡聚集就会成为泡沫,这种被隔离的气泡聚集物就是俗称的泡沫。泡沫的稳定对液相的粘度大小、表面弹性作用、表面流变性都会有很大的因素,一般很难得到稳定并持久的泡沫。

泡沫的消除方法主要有化学法、物理法和机械法。化学消泡法就是在生产过程中加入化学物质(消泡剂)消除泡沫;物理消泡法利用静置、加温或减压来消除泡沫;机械消泡法就是采用机械力使泡沫破裂。物理法和机械法操作简单,但被动,只治标而不治本,且效果不理想。目前使用最广泛使用的是化学消泡法,即使用消泡剂控制生产过程中泡沫的形成和破除已形成的泡沫。

 

消泡剂的消泡机理

虽然消泡剂的使用由来已久,但对不同消泡体系需要不同类型的消泡剂,并且因化学结构和性质不同,消泡剂的作用机理至今也没有一致的看法。现在普遍被人们所接受的消泡剂机理,有以下3种:

1)罗斯假说,将消泡剂添加到起泡体系,消泡剂分子就会靠近泡沫。

首先消泡剂附着在泡沫液膜上开始侵入,逐渐在泡膜上扩展开来,使得泡膜局部厚度骤减,最终导致气泡合并或破灭。

2)疏水固体颗粒的消泡机理,起泡液中添加疏水固体颗粒后,疏水颗粒会马上吸附起泡液中表面活性剂的亲水端,使得疏水颗粒的最外层变为表面活性剂的亲水端,具有亲水性,进入水相,疏水固体颗粒大量吸附起泡体系的表面活性剂,使得起泡液中表面活性剂的浓度骤降,致使泡沫破裂。但这种消泡机理不能说明其他消泡剂的作用机理,过于片面。

3)“桥连-拉伸”机理和“桥连-排湿”机理。是现如今较为完备的消泡机理

“桥连—拉伸”机理:消泡剂的表面张力远远低于液膜的表面张力,消泡剂的液滴得以在液膜表面持续铺展、深入,泡沫局部液膜继续变薄,最终形成油在水中间的桥连,油相、水相的表面张力相差甚远,油相在周围水相不断地牵引下,拉长变薄,形变超过一定范围后,液膜被破坏,导致泡沫破裂。

“桥连—排湿”机理:向起泡液中加入固体疏水颗粒消泡剂后,消泡剂马上在泡沫体系中分布开来,疏水颗粒固定在泡沫液膜表面,当固体颗粒与液膜之间具有足够的疏水角,固体颗粒与周围的液膜有着相反接触面,成为周围液膜之间的桥连,最终能穿破泡沫液膜,进入到泡沫中去。

 

消泡剂的发展历程

消泡的涵义主要是两方面,一是“破泡”,即消除已经产生的泡沫;二是“抑泡”,即阻止泡沫的生成。好的消泡剂往往同时兼具优良的破泡及抑泡能力。

消泡剂主要经历了四个发展阶段:

第一代消泡剂,主要由各种有机物构成,如:脂肪酸、矿物油、脂肪酰胺、低级醇类等。此类消泡剂多为天然物质,价格低廉,对环境污染小。但消泡性能比较弱,对于大量泡沫的情况不能满足生产的要求。

第二类是聚醚类消泡剂CnH(2n+1)O(EO)a(PO)bH,聚氧乙烯基链段(EO)是亲水基;聚氧丙烯基链段(PO)是亲油基。聚醚类消泡剂抑泡性能好,无毒、无刺激,并且具有良好的分散性。在实际生产中调节聚醚的相对分子量和聚醚链段中EO、PO的比例,来满足各个生产领域的需求。目前市场上存在的聚醚型消泡剂主要有直链聚醚、醚胺、脂肪醇聚醚、脂肪酸聚氧乙烯醚、等聚醚衍生物。

第三类是以聚二甲硅氧烷为主体的有机硅消泡剂,聚二甲硅氧烷分子由Si-O-Si链和甲基、乙基等有机基团组成,因而具有比较特殊的化学性质,这类消泡剂较前两者消泡性能更佳。通常,分子量较大的硅油在表面活性剂溶液中不溶,而对于小分子硅油很容易被表面活性剂分子增溶,从而改变了消泡剂的组成,使消泡性能减弱。对于硅油复配的消泡剂,不溶于水也不溶于矿物质油中,因此抑泡能力较强,同时也大大增强其破泡效果。由于Si-O键和Si-C键相对比较稳定,允许在含有少量酸、碱、盐的体系中使用。国内基本集中于这一类消泡剂上的研究和应用。工业生产中常用的有机硅消泡剂,多数是在硅油中添加分散助剂制得的一类硅油二次加工制品,那些都属于液体混合物。混合物从外观和流动性上主要分为硅膏型、硅油型、乳液型、溶液型和固体型五类。

第四类消泡剂是聚醚改性硅油消泡剂,在前几代消泡剂的基础上力求把聚醚、有机硅的优点整合,将聚醚链段引入硅油链段上,具有更强的消泡、抑泡性能。聚醚改性硅油属于新型的特种有机硅表面活性剂,采用含有双键的聚醚与低含氢硅油通过加成反应而成,是一种性能独特的有机硅非离子表面活性剂,其既保留了硅油的耐高低温性、耐候性、脱模性、憎水性以及生理惰性等性能,又具有聚醚无刺激性、高表面活性及易于分散的特性,聚硅氧烷链段亲油,聚醚链段亲水,这就造就了聚醚改性硅油既能溶于水相也能溶于油相,因此可作为有机硅表面活性剂使用;聚醚链段还可以作为乳化剂使乳液的性能保持稳定,有很好的分散性能。因此,聚醚改性硅油在水体系中有持久的消泡效果。由于聚醚改性硅油具有良好的耐热性、抗剪切性及耐酸、碱性能,且无毒无味、储存稳定,因而被广泛应用,尤其是在硅油消泡剂难以解决时进行应用。

聚醚改性硅油的消泡机理最好的体现了桥连-拉伸”机理和“桥连-排湿”机理。“桥连—拉伸”机理基于硅油独特的低表面张力极易铺展的特点,指出消泡剂液滴能够产生不同程度的变形,但该机理难以说明硅膏与纯硅油区别;“桥连—排湿”机理基于硅油的亲油性,能够说明低粘度聚醚改性硅油的作用原理。

 

 消泡剂存在的问题和发展趋势

我国对于消泡剂的研究起步较晚,在上个世纪七十年代以后,开始从事于聚醚改性硅油的开发和应用,几十年的研究,我国消泡剂产业取得很大的进展,需求也呈快速上升趋势,但同国外已经进入成熟期相比,还存在很大的差距。国产消泡剂的更新换代还是不能跟上工业发展的步伐。国内对于Si-C型聚醚改性硅烷的供应主要是依靠进口这一渠道,因为相比于国外的Si-C型聚醚改性硅油的研究,我国对其进行的研究则要匮乏很多,基本上没有新的产品和新的工艺出现,一方面是因为,能够生产特种聚醚和特种含氢硅油的厂家较少,产品原料的选择有限;另一方面是因为,采用聚醚改性硅油工艺合成还是沿用传统的合成工艺,因此产品的转化率较低,产物中交联产物较多,产品质量较差,其经济效益难有保障。

目前市场上有琳琅满目的消泡剂品种,大多消泡剂消泡效果尚可,抑泡作用不强,使顾客花费了金钱,却达不到想要的消泡效果,以致于令人不敢放心地使用或干脆放弃消泡剂的使用。

随着消泡剂研制工作持续进行,涌现出许多新的活性消泡组分,使得对复配消泡剂的反应机理及各组分的协同效应研究更加深入。因此成分单一、经济效益差的消泡剂将逐渐被多功能、高效率的复配型消泡剂所取代,这将会是消泡剂市场的未来趋势。随着世界范围内清洁生产的呼声越来越高,开发高效、绿色、多功能表面活性剂新品种成为消泡剂发展的主导方向。

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