消泡剂复配及性能研究

青岛大学本科论文 设计 本科毕业论文 设计 题 目 消泡剂复配及性能研究 学 院 化学化工与环境学院 专 业 轻化工程 姓 名 刘 欢 指导教师 张 宾 2014 年 6 月 4 日 青岛大学本科论文 设计 消泡剂复配及性能研究 A Study on Preparation and Performance of Defoamer 青岛大学本科论文 设计 摘 要 本论文研究了三种消泡剂 ESD C 有机硅类 Z 25AS 聚醚类 TL 56 1 有机 硅类 的消泡 抑泡性能 对其进行了复配实验 考察了各组分对消泡效果的影响 确 定了最佳的复配工艺 并且与消泡剂 702 进行试验对比 结果表明 配比为 1 3 的配比 为 Z 25AS 25 和 TL 56 1 75 的复配消泡剂 0 05 为最佳 在最大限度上减少 消泡时间 时间为 4s 抑泡时间为 9s 该复配消泡剂消泡 抑泡能力较好 性能优越 稳定性好 关键字 消泡剂 硅油型消泡剂 聚醚型消泡剂 复配 稳定性 青岛大学本科论文 设计 Abstract In this thesis three defoamers ESD C silicone Z 25AS polyether TL 56 1 silicone of defoaming performance and to carry out complex with experiments to study the effects of anti foaming effect of each component to determine the optimal complex process and the comparison with experiment 702 defoamers The results show that the ratio of 1 3 ratio of Z 25AS 25 and TL 56 1 75 of compound defoamer 0 05 is the best reduce the maximum extinction soak time time of 4s defoaming time of 9s The complex defoamers defoaming ability is better superior performance and good stability Keywords defoamer silicone defoamer polyether defoamer complex stabilty 青岛大学本科论文 设计 目录 1 前言 1 1 1 泡沫及其性能 2 1 1 1 泡沫的形成 2 1 1 2 影响泡沫稳定性的因素 3 1 2 消泡剂 4 1 2 1 消泡剂物化特性 4 1 2 2 消泡剂的成分 4 1 2 3 消泡剂的分类消泡剂的种类很多 分类方法也有多种 4 1 2 4 消泡剂的应用 6 1 2 5 消泡剂的消泡机理 6 1 2 6 消泡剂的发展概况 7 1 3 聚醚改性硅油消泡剂 8 1 3 1 聚醚硅油消泡剂的反应原理 8 1 3 2 聚醚硅油消泡剂的消泡机理 9 1 3 3 复合型消泡剂 9 1 4 本课题研究的主要目的和意义 9 2 实验 11 2 1 实验仪器和试剂 11 2 1 1 实验试剂 11 2 1 2 实验仪器 11 2 2 实验部分 12 2 2 1 十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 配制及起泡性测定 12 2 2 2 消泡剂固含量的测定 12 2 2 3 单一消泡剂的消泡 抑泡性能测试 12 2 2 4 消泡剂复配及消泡抑泡性能测定 13 2 2 5 稳定性测试 13 3 结果与分析 15 3 1 十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 起泡性 15 3 2 消泡剂固含量的测定 16 青岛大学本科论文 设计 3 3 单一消泡剂的消泡 抑泡性能测试 17 3 4 消泡剂的复配 18 3 4 1ESD C 与 TL 56 1 复配结果 18 3 4 2 Z 25AS 与 TL 56 1 复配结果 19 3 4 3 Z 25AS 与 ESD C 复配结果 19 3 5 稳定性的测试 21 3 5 1 离心稳定性 21 3 5 2 热稳定性 21 4 结论 21 致谢 23 参考文献 24 青岛大学本科论文 设计 1 1 前言 在工业生产的某些场合往往需要加入一定量的表面活性剂 以满足溶液体系在诸如 清洗 润滑 防锈等方面的特殊要求 加有表面活性剂的溶液体系因存在气体或搅拌等 因素 易生成大量的泡沫 1 泡沫的产生有时是有利的 如矿物的泡沫浮选 消防上的泡 沫灭火 石油开采中的泡沫驱油等 但是 在某些领域却是不利的 如溶液浓缩 发酵 生产 造纸过程中的纸浆处理 乳液生产等 需要使用消泡剂减弱 抑制或彻底消除泡 沫才能满足实际生产的需要 2 对消泡剂的研究最早始于德国实验物理学家 Quincke 他首先提出了用化学方法来消 泡的概念 例如用乙醚蒸气来消除肥皂泡 之后 19 世纪的胶体化学家 J Plateau 对液 体起泡性进行了研究 提出表面张力小 黏度大的起泡液体起泡性较强 美国胶体化学 家 S Ross 在二次大战期间开始研究润滑油的消泡问题 战后连续发表多篇关于消泡的 研究报告 在消泡剂的作用机理方面作出了突出贡献 道康宁 DowCornjng 公司的 C C Currie 对当时的消泡剂文献做了较大规模的整理 对造纸 发酵 锅炉等方面的 消泡技术进行了全面系统的研究 工业生产的快速发展引起了消泡剂的使用量大增 对 消泡剂的消泡效率 使用成本等提出了新的要求 同时 随着消泡剂在某些特定领域的 不断扩展 对其在诸如高温 强酸强碱 高剪切等苛刻条件下使用的稳定性能和消泡性 能 提出了新的挑战 3 1954 年 美国 Wagnd ott 公司首先投产聚醚型消泡剂 很快得到了迅速的发展 但 对聚醚消泡剂的广泛应用和研究是从近几年随着聚醚工业的发展才开始的 4 我国对消泡 问题的研究始于上世纪 50 年代 到 60 年代初 我国开始对润滑油 传动油的消泡问题 进行系统的研究 从而有助于飞机 内燃机车 舰艇 轿车等工业领域的发展 后来又 对造纸 印染 发酵 天然气脱硫 混凝土等方面的消泡问题进行了研究 从 60 年代末 我国开始研究聚醚型消泡剂 并自 70 年代开始生产聚醚型消泡剂 聚醚型消泡剂首先被 应用于抗菌素发酵行业 之后逐渐被推广到其他领域 品种也由当时的单一品种甘油聚 GP 发展到现今的 GPE PPE BAPE 等 80 年代时 各种各样的消泡剂大量涌现 消 泡技术开始在我国各行各业得到了广泛的应用 5 目前大量使用的消泡剂主要集中在硅油型和聚醚型两大类 硅油型消泡剂属低毒 抗氧化 破泡能力较强的消泡剂 且由于硅油本身具有亲油性 因此对油溶性溶液的消 泡具有令人满意的效果 但是它的水溶性较差 使其在水体系中的使用收到了一定的限 青岛大学本科论文 设计 2 制 同时对微酸性发酵效果差 对菌丝发育又有一定的抑制作用 因此 在发酵行业的 应用也受到了一定的限制 此外 在纺织印染行业 尤其是浅色织物的印染过程中 由 于沉淀在织物上的硅斑不易洗净而又一次受到限制 聚醚消泡剂的优点是亲水性好 且 抑泡能力较强 因此在水体系中有较好的消泡效果 但是它又有一个致命的缺点 就是 破泡率低 一旦产生了大量的泡沫 聚醚消泡剂并不能一下有效地消除泡沫 而是需要 补加一定量的消泡剂才能慢慢解决问题 6 考虑到将上述两种消泡剂能有机地结合起来 发挥两者的优势 即产生了一种新型 高效消泡剂 聚醚改性聚硅氧烷消泡剂 又称聚醚改性硅油消泡剂 聚醚改性聚硅氧 烷是通过选择具有较强抑泡能力的聚醚 和疏水性强 破泡迅速的聚硅氧烷为原料进行 反应 从而在聚硅氧烷分子中引入聚醚链段制得的共聚物 简称硅醚 将合成的硅醚 再与增稠剂 乳化剂等成分有效混合 得到具有表面张力低 消泡迅速 抑泡时间长 成本低 用量少 应用面广等特点的聚醚改性聚硅氧烷消泡剂 同时由于聚醚改性硅油 的耐热性 抗剪切性及耐酸碱盐性能好 可用于许多苛刻条件下的消泡 比如纺织品高 温染色工艺 发酵工艺中的消泡 各种油剂 切削液 不冻液 水性油墨等体系中的消 泡 也适用于印刷行业感光树脂制版后 洗掉未固化树脂的消泡 目前 此产品在国内还处于研制阶段 其产品十分欠缺 聚醚改性硅油消泡剂能迅 速溶于水中 可单独使用 也可与其它助剂配合使用 稳定性好 不发生破乳漂油现象 也无沉淀物产生 同时对非水体系也非常有效 聚醚改性硅油消泡剂是有机硅消泡剂中 理想的新品种 具有很好的发展前景 1 1 泡沫及其性能 1 1 1 泡沫的形成 泡沫在轻化工生产中最常见的一种现象 肉眼中可以看出 泡沫是一部分气体被液 体或者固体所包围而形成的密闭空间 仅有一个界面的 泡 叫气泡 由液体薄膜或固 体薄膜隔开的具有多个界面的气泡聚集体称为泡沫 7 一般情况下 在纯液体中形成的 气泡 如果相互接触或从液体中逸出时 就会立即破裂 若某种液体容易成膜 并且不 易破裂 这种液体在搅拌时就会形成大量的泡沫 泡沫产生之后体系中的气 液表面积 大为增加 体系的不稳定性随之增加 因此泡沫易于破裂 但是 如果体系中含有表面 活性剂 情况就不同了 表面活性剂分子被吸附在气 液界面上 不但降低了气 液两 青岛大学本科论文 设计 3 相间的表面张力 同时会形成一层具有一定力学强度的分子膜从而使泡沫不易破灭 1 1 2 影响泡沫稳定性的因素 影响泡沫稳定性的因素有液体的表面张力 表面黏度即液膜的强度 表面张力的自 我修复作用 表面电荷 泡沫气体的扩散以及添加的表面活性剂的结构等 具体分析如 下 1 表面张力及其自修复作用 泡沫形成后体系的气 液表面积增加 体系能量随 之增加 从能量的角度考虑降低液体的表面张力有利于泡沫的形成 但无法保证泡沫有 较好的稳定性 只有当表面膜有一定的强度 能形成多面体泡沫时 低表面张力才有助 于泡沫的稳定 但是 许多实际现象已经说明 液体表面张力不是泡沫稳定的决定因素 表面张力的另一个作用 是在泡沫的液膜受到冲击而局部变薄时可使液膜厚度复原 使 液膜强度恢复 这种作用称为表面张力的自我修复作用 8 2 表面黏度 决定泡沫稳定性的关键因素 是液膜的强度 而液膜的强度主要取 决于表面吸附膜的坚固性 通常用表面黏度来衡量 表面黏度越大 液膜表面强度越高 同时使临近液膜的排液受阻 延缓了液膜的破裂时间 增加了泡沫的稳定性 3 气体的透过性 泡沫中的气泡总是大小不均的 小气泡中比大泡中的压力高 于是小泡中的气体会通过液膜扩散到相邻的大泡中 造成小泡变小甚至消失 大泡变大 直至破裂 所以 透过性越好的液膜 其气体通过它的扩散速度就越快 泡沫的稳定性 也越差 同时 气体的透过性与表面吸附膜的紧密程度有关 表面吸附的分子排列越紧 密 表面黏度就越高 气体透过性就越差 泡沫也越不易破裂 4 表面电荷 如果泡沫液膜带有相同的电荷 该膜的两个表面将相互排斥 当膜 变薄至一定程度时两个表面层的静电斥力会阻止液膜的进一步变薄 因此 电荷有阻止 液膜变薄增加泡沫稳定性的作用 9 5 表面活性剂的分子结构 研究表明 表面活性剂水溶液的起泡性和稳泡性皆随 表面活性剂浓度上升而增强 到一定浓度后达到极限值 表面活性剂亲水基的水化能力 强 就能在亲水基周围形成很厚的水化膜 从而将液膜中流动性强的自由水变成流动性 差的束缚水 同时也提高了液膜的黏度 不利于重力排液使液膜变薄 从而可以增加液 膜的稳定性 综上所述 影响泡沫稳定性的各因素中 液膜强度是最重要的 作为起泡 剂或稳泡剂使用的表明活性剂 其表面吸附分子排列的紧密和牢固程度是最重要的因素 不仅可以使液膜本身具有较高的强度 而且因表面黏度较高而使临近表面膜的溶液层不 青岛大学本科论文 设计 4 易流动 液膜排液相对困难 同时 排列紧密的表面分子 还能降低气体的透过性 从 而也可增加泡沫的稳定性 1 2 消泡剂 1 2 1 消泡剂物化特性 对于一种理想的消泡剂而言 其物化性能必须满足适用对象的要求 使用对象不同 所用消泡剂的性能也应有所变化 一般来说 为了能够快速 稳定地消除泡沫 长时间 抑制泡沫的产生 一种消泡剂的选择必须考虑多种因素 其中包括以下几个方面的因素 具有良好的消泡能力和泡沫控制能力 具有比泡沫 介质更低的表面张力 不溶于泡沫介质 不与泡沫介质起反应 不能被泡沫介质分解降 解 具有正的扩散系数 以便使其扩散到气液界面上 低毒或无毒 贮存稳定 成本低 具有低的 BOD COD 值 10 1 2 2 消泡剂的成分 为了使消泡剂具有良好的消泡 抑泡效力 进而提高生产效率 产品质量 生产安 全等 消泡剂中需含有多种成分以便使消泡剂充分发挥作用 一般一种良好的消泡剂巾 的成分及各成分的作用和代表物如下 1 活性成份作用 破泡 消泡 减小表面张力 代表物 硅油 聚醚类 高级醇 矿物油 植物油 2 乳化剂作用 使活性成分分散成较小的颗粒 便于分散在水中 更好地起到消 泡 抑泡效果 代表物 皂盐 壬 辛 基酚聚氧乙烯醚 OP 系列 斯盘系列 吐温系 列等 3 载体作用 利于消泡成分和起泡体系的结合 易于分散到起泡体系里 把两者 结合 降低消泡剂的表面张力 有利于抑泡 而且可以降低成本 代表物 除水以外的 溶剂 如芳香烃 脂肪烃 含氧溶剂等 4 乳化助剂作用 使乳化效果更好 代表物 疏水二氧化硅 乙二醇 CMC 聚 乙烯醚等 11 青岛大学本科论文 设计 5 1 2 3 消泡剂的分类消泡剂的种类很多 分类方法也有多种 消泡剂种类很多 分类方法也很多 按成分可分为 1 天然油脂 天然油脂即豆油 玉米油等 其具有来源容易 价格低 使用简单等优点 但是其 贮存不方便 易变质并且会使酸值变高 12 2 聚醚类 聚醚类消泡剂的种类繁多 主要有以下几种 GP 型消泡剂 GP 型消泡剂以甘油作为起始剂 由环氧丙烷或环氧乙烷与环氧丙烷 的混合物加成聚合 该种消泡剂亲水性差 在发泡介质中溶解度小 抑泡能力比消泡能 力强 GPE 型消泡剂 GPE 型消泡剂是在聚丙二醇链节的末端加成环氧乙烷 成为链端 是亲水基的聚氧乙烯环丙烯甘油 按照环氧乙烷含量为 10 20 50 分别被称为 GPEl0 GPE20 GPE50 GPE 型消泡剂亲水性较好 在发泡介质中铺展快 消泡能力 强 但溶解度较大 消泡活性维持时间短 GPES 型消泡剂 在 GPE 型消泡剂链端用疏 水基硬脂酸酯封头 形成两端是疏水链的结构 因中间隔有亲水链的嵌段共聚物 所以 这种结构易于以平卧状聚集在气液界面而具有强的表面活性和消泡性 3 高碳醇消泡剂 高碳醇消泡剂是强疏水性弱亲水性线性分子 在水体系中是一种良好的消泡剂 其中链 长为 C7 C9 的消泡剂足最有效的 4 硅类消泡剂 有机硅消泡剂按形态可分为硅油 硅油溶液 硅油混合物 硅脂和硅乳液等 最常 使用的有机硅是聚二甲基硅氧烷即二甲基硅油 有机硅消泡剂与其它消泡剂相比 具有 如下特点 表面张力低 聚二甲基硅氧烷的表面张力比水 表面活性剂水溶液及一般油类都要 低 因而适合作消泡剂 在普通油剂及水中的溶解度低 活性高 聚硅氧烷具有特殊分 子结构 作为主链的硅氧键链段是非极性分子 与极性溶剂水和一般油品的亲和性都很 小 挥发能力低且化学惰性强 二甲基硅油的挥发性极低 表面张力也很低 二者结合 使消泡剂能在较广的温度范围内起消泡作用 与水及多数有机物不相溶 对大多数气泡 介质均能消泡 具有良好的热稳定性 无生理毒性 脱除了低聚物的二甲基硅油 而用 高聚合度的二甲基硅油作消泡剂 生理毒性降为零 成本低 用量少 型号品种繁多 可供多种发泡体系使用 13 青岛大学本科论文 设计 6 5 聚醚改性硅类消泡剂 聚醚改性有机硅消泡剂是将硅油和聚醚两者的优点有机结合起来的一种新型高效消 泡剂 这种消泡剂以具有较强抑泡能力的聚醚和疏水性强 破泡迅速的二甲基硅油为主 要成分 并加入能使硅油与聚醚有机结合起来的乳化剂 稳定剂等成分 具有表面张力 低 消泡迅速 抑泡时间长 成本低 用量少 无毒无害 应用面广等特点 6 新型自乳化消泡剂 该消泡剂含有特殊改性的聚硅氧烷 具有极好的耐热性 耐酸碱性及化学稳定性 可在广泛的温度范围内用于消去和抑制各种恶劣体系中的泡沫 15 1 2 4 消泡剂的应用 近年来 消泡剂越来越广泛地应用于纺织 食品 化工 医药 涂料等工业生产中 其对工业的发展起着非常重要的作用 下面主要从纺织方面淡其在工业中的应用 随着纺织品生产能力的急剧增长 新型高效的织物整理技术也逐步发展起来 新的 整理设备 使液剂通过织物的循环速度提高 织物更紧密地缠绕在滚筒上 缩短处理时 间 降低液剂与织物的用量 但是与此同时会加剧泡沫现象的出现 从而造成产品质量 的降低 比如 在印染过程中 由于泡沫的存在 会造成织物的漂浮而使印染不均匀 在液剂的循环过程中 由于泡沫的存在 泵中出现气穴现象而造成泵效率急剧下降 循 环速度降低 染浴中泡沫的存在会造成已染色的产品再度沾染 除此之外 泡沫易降低 装料系数 严重时造成溢锅等 16 为了保证纺织产品的质量 消泡剂是一种必不可少的 添加助剂 因而在染料和其他辅助材料加进之前 在尽可能低的温度下加进最低有效量 的有机硅消泡剂 并使其分散 可达到抑泡或消泡效果 有机硅消泡剂有很好的消泡抑 泡能力 但是不能忽略其在染浴中的不稳定性 其会游离出来从而降低了抑泡性 在纺 织工业中使用有机硅消泡剂也必须注意两点 一是纺织工业中预防泡沫的产生比处理产 生的泡沫容易得多 二是最经济最安全地向纺织染整过程巾加入消泡剂的方式是连续或 半连续的 1 2 5 消泡剂的消泡机理 泡沫是一种有大量气泡分散在液体连续相中的分散体系 其分散相为气体 在气泡 表面吸附着一层定向排列的表面活性剂分子 当其达到一定浓度 就在气泡壁形成一层 薄膜 并使其表面张力下降 从而增加了气液接触面 因此形成的气泡不易合并破裂 青岛大学本科论文 设计 7 而暴露在空气中的气泡膜具有双分子膜结构 消泡剂就是要破坏和抑制气液间薄膜的形 成 因此消泡剂必须在溶液表面易于铺展 易于进入泡沫的双分子定向膜 破坏膜的力 学平衡而达到消泡日的 17 综上 消泡剂消泡机理有如下 1 破坏液膜的弹性而使气泡破灭 泡沫体系中存在具有稳泡作用的表面活性剂 如果向体系中添加消泡剂 消泡剂会 扩散向气液界面 降低表面活性剂恢复膜弹性的能力 使膜破灭 2 促进泡沫液膜排液导致气泡破裂 反映泡沫的稳定性的一项指标是泡沫的排液速度 如果添加一种物质 能加速泡洙 排液 就可以达到消泡效果 3 降低泡沫局部的表面张力从而使泡沫破裂 将植物油或高级醇加在泡沫上 当其溶入泡沫液 该处表面张力会显著降低 因为 这物质几乎不溶于水 只有泡沫局部位置降低了表面张力 而泡沫的其他部位表面张力 几乎改变 表面张力降低的部分被强烈地向周围牵拉 延伸 导致最后破灭 4 增加助泡表面活性剂的溶解性使气泡破裂 有些小分子物质与溶液充分混合 可使增溶助泡性表面活性剂 降低有效浓度 有 这作用的小分子物质如乙醇 丙醇 辛醇等 不仅溶入表面活性剂的吸附层 而且会减 低表层的表面活性剂浓度 从而降低表面活性剂分子间的紧密程度 使泡沫的稳定性减 弱 18 5 电解质降解表面活性剂的双电层使气泡破裂 有些起泡液的稳定性是借助泡沫的表面活性剂双电层产生的 加入少量电解质可瓦 解表面活性剂双电层达到消泡效果 6 疏水性的固体小颗粒可使气泡破裂 疏水性固体颗粒会吸引气泡表面的表面活性剂疏水基 增加疏水颗粒的亲水性 使 其进入水相 从而起消泡作用 1 2 6 消泡剂的发展概况 在许多工业生产中 泡沫是普遍存在的现象和问题 所以消泡剂对确保工业生产高 效运转的重要性逐渐被认识 每一特定的工业生产都需要不同的消泡剂 这不仅与其在 特定体系中的消泡抑泡能力有关 而且与其是否有副作用 对人与环境是否有害有关 青岛大学本科论文 设计 8 消泡方法主要有物理 机械和化学三种方法 德国物理实验学家 Quineke 首先提出消泡的 化学方法 20 世纪 50 年代 美国 DowComing 公司的 Currie CC 较完整地整理了当时关 于消泡剂的文献 并且全面系统地研究了锅炉 发酵 造纸等方面的消泡技术与工艺 同时另一家美国公司 Wagndott 最先把聚醚消泡剂进行投产 我国最先于 50 年代对消泡问 题进行探索研究是在发酵和造纸工业方面 60 年代初期 着手于传动油和润滑油的消泡 题进行系统的研究 60 年代末期 开始研究聚醚型消泡剂 70 年代开始研制和使用有机 硅消泡剂 并逐渐推广应用领域 80 年代 消泡技术就在我国各行各业得到了广泛应用 近年来消泡技术已取得了较好的效果 首先是新品种增多 补充了国内在这方面的空白 二是复合消泡剂发展迅速 国内复合剂己高达几十种 能满足国内的基本需求 近来消 泡剂的研究主要集中在有机硅化合物与表面活性剂的复配 聚醚与有机硅的复配 水溶 性或油溶性聚醚与含硅聚醚的复配等复配型消泡剂上 复配是消泡剂的发展趋势之一 就目前消泡剂而言 聚醚类与有机硅类消泡剂的性能最为优良 人们对这两类消泡剂的 改性与新品种的开发研究也比较活跃 19 20 我国消泡剂虽然经过二十多年的研制 开始进入发展期 但是相比已进入成熟期的 国外消泡剂市场仍然有很大差距 我国应该抓住机遇 利用消泡剂研制与开发 使技术 日趋成熟 我国消泡剂未来的发展趋势主要在三方面 首先 国内的研究以聚硅氧烷 消泡剂为基础 通过接枝聚合或嵌段聚合合成聚醚硅油消泡剂 经过改性 增加消泡剂 的水溶性或降低其油溶性 以增强消泡效力 其次 在聚醚硅油消泡剂的基础上研究复 配消泡剂 使消泡剂口趋专业化 最后 合成复配专用型的消泡剂 总之 消泡剂的研 究与开发是近些年来的科研热点 其涉及的行业之广之多是其它添加剂所不能比拟的 1 3 聚醚改性硅油消泡剂 普通的聚硅氧烷消泡剂由于疏水性强 表面能较低 溶于其它有机溶剂的性能较差 不适合应用于水溶液体系中 可以通过对聚硅氧烷进行接枝改性 引入亲水性的聚醚嵌 段 从而增加了其在水中的分散性 乳化性 稳定性及逆溶性 因此 近年来聚醚改性 聚硅氧烷在化妆品 纺织后整理剂 纺丝油剂及消泡剂等产品中的应用得到日益关注 尤在消泡剂中具有广阔的应用前景 25 1 3 1 聚醚硅油消泡剂的反应原理 按聚醚链段与聚硅氧烷链段之间连接方式的不同 聚醚改性聚硅氧烷可为 Si 0 C 也 青岛大学本科论文 设计 9 称水解型 和 Si C 也称非水解型 前者疏水性差 易被水解 后者对水稳定 由于 Si C 也称非水解型 聚醚改性聚硅氧烷的优越性 其受到重点研究 26 27 其反应通过 硅氢加成法 即由含氢硅油与含链烯基的聚醚通过铂催化加成 制备 Si C 侧链型的改性 聚硅氧烷 1 3 2 聚醚硅油消泡剂的消泡机理 聚醚改性聚硅氧烷的消泡力与传统硅油消泡剂消泡力有很大区别 其根本原因与两 者的消泡机理有关 对于传统的硅油消泡剂 消泡剂固体颗粒是进入气泡之间空隙 PB Plateau borders 而无法直接进入气泡的液膜 其消泡过程符合 PB 区排湿 机理 当消泡剂小颗粒进入泡沫 PB 区空隙时 随着增大气体接触面 泡沫缩水 PB 区的曲率 半径逐渐变小 从而增大 PB 区的毛细管压力 当压力达到某一临界值时 铺展于液膜的 消泡剂颗粒使液膜变薄甚至断开 最终导致泡沫破灭 整个过程持续时问非常长 由于 消泡过程缓慢 故将其称为慢消泡剂 而对于聚醚改性硅油消泡剂 消泡剂可以直接进 入泡沫液膜 在其表面形成一个双凹的油膜 28 29 由于消泡剂的表面张力远小于泡沫液 膜的表面张力 所以可以在液膜问扩散 渗透 当消泡剂渗入的厚度等于泡膜厚度时 原有液膜就会被取代 形成两层水膜夹一层油膜的 三明治 结构 由于受两侧高表 面张力水层的拉力 油层不断变薄变细 油膜维持力失衡并导致泡沫破灭 消泡过程中 形成的油层及其被拉伸的现象符合 架桥 拉伸 机理 由于消泡剂颗粒不溶于水溶液 可以从破裂的泡沫中释放 迅速铺展于另一泡沫的液膜 继续进行以上消泡步骤 最终 所有泡沫都会破灭 整个消泡过程仅持续数秒 非常迅速 故将其称为快消泡剂 30 1 3 3 复合型消泡剂 将几种不同类型的消泡剂进行合理的复配 通过发挥各组分的协同作用 降低其生 产成本 甚至可以得到单一组分无以比拟的消泡性能 在针织行业中 最常用的是有机 硅型消泡剂与聚醚型消泡剂的复合 得到聚醚 硅油复配消泡剂 它是选择具有较强抑 泡能力的聚醚和疏水性强 破泡迅速的二甲基硅油为主要成分 加上能使硅油与聚醚有 机结合起来的乳化剂 稳定剂等成分形成的复合型消泡剂 31 随着新的高活性消泡组分 的 不断发现 复配组分协同效应研究的不断深入 那些组分结构单一 经济效益较差的 低档消泡剂逐渐被多功能 高效率的复配型消泡剂所取代 青岛大学本科论文 设计 10 1 4 本课题研究的主要目的和意义 在许多工业生产过程中 如石油工业 油脂工业 橡胶工业 涂料工业 纺织工业 造纸工业 金属加工和食品加工等 若有大量的泡沫存在 不仅生产操作不便 浪费设备 容量 而且会影响制成品的质量 甚至造成次品或废品 故在生产过程中如何有效地控制泡 沫 长期以来为研究者所重视 一般消除泡沫可通过静置 减压和加温等办法达到目的 但在当今工业生产规模越来越大 生产效率要求越来越高的条件下 需要在尽可能短的时 间内迅速而有效地消除不断产生的泡沫 就需要用新的 更有效的方法 本实验的主要目 的是对聚醚行改性有机硅消泡剂进行复配并找到最合适的处方 使之少量高效 并且与 其他未复配消泡剂进行性能对比 在轻化工生产中 由于对织物进行多项整理 比如前处理中的退浆 漂白和印染中多 次水洗及上染过程会产生很多泡沫 这些泡沫会带来很多麻烦 使生产不能顺利进行 影响生产效率 使织物印染质量下降 严重时会使生产不能继续进行 或者会产生更大 的危害 由此可见 对泡沫的消除和抑制对现代工业生产具有极大的经济和技术意义 32 自从提出用化学试剂的方法来消泡 到目前为止先后出现了四代消泡剂 分别是低 级有机物消泡剂 聚醚类消泡剂 有机硅类消泡剂和聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂 目前 大量使用的消泡剂为有机硅类和聚醚改性两大类 总之消泡剂必须要满足两个基本特征 不溶或微溶于起泡介质 表面张力比起泡介 质低 除此之外还要求消泡剂具备消泡速度快 抑制时间长 用量少且不会有副作用等 特性 消泡剂的复配就是将两种或者两种以上不同类型的消泡剂进行合理的配合 由于各 组分之间的性能不同 对消泡的侧重点的不同 通过复配是个消泡剂不同组分进行协同 作用 这样不仅可以充分利用不同组分之间的作用 提高消泡效率 并且降低生产成本 及减少消泡剂的用量 还有可能得到单一组分无法比拟的消泡效果 34 目前最常用的是 用有机硅类消泡剂和聚醚型消泡剂进行复配 得到聚醚改性消泡剂 还有其他类型的复 配消泡剂 实验中大多通过对用不同消泡剂和不同的配比值进行复配 再通过对已复配 消泡剂进行稳定性 消泡性能 抑泡性能 消耗量等测定 得出效果最好的消泡配比 本实验是对三种不同的消泡剂进行两两复配 分别为 ESD C 有机硅类 Z 25AS 聚醚类 TL 56 1 有机硅类 并且用聚醚改性硅油消泡剂 702 进行试验对比 从而得出消泡和抑泡性能最好的复配消泡剂 青岛大学本科论文 设计 11 2 实验 2 1 实验仪器和试剂 2 1 1 实验试剂 实验所用主要试剂见表 2 1 表 2 1 实验所用试剂 试剂规格生产公司 十二烷基苯磺酸钠分析纯天津市博迪化工有限公司 702乳化液 ESD C乳化液 TL 56 1乳化液 Z 25AS乳化液 2 1 2 实验仪器 实验所用主要仪器见表 2 2 表 2 2 实验所用仪器和设备 仪器名称生产厂家 电子天平余姚市金诺天平仪器有限公司 GS12 2电子恒速搅拌器上海机械厂 HSY2 SP电热恒温水浴锅北京市永光明医疗仪器厂 ZB101 型电热鼓风烘箱 青岛金海山科技开发有限公司 青岛大学本科论文 设计 12 TDL 60B低速台式离心机上海安亭科学仪器厂 2 2 实验部分 2 2 1 十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 配制及起泡性测定 试验中采用十二烷基苯磺酸钠作为起泡剂 它作为典型的阴离子表面活性剂作为发 泡剂 十二烷基苯磺酸钠 也叫做四聚丙烯基苯磺酸钠 白色或淡黄色粉状或片状固体 溶于水而成半透明溶液 主要用于阴离子型表面活性剂 用质量浓度为 0 1 和 0 5 两种十二烷基苯磺酸钠溶液进行搅拌 作为起泡液 在恒 温 25 下配制 200mL 十二烷基苯磺酸钠 LAS 用搅拌器搅拌 30s 后移入 250mL 量筒 中 并测量泡沫最初高度 同时开始秒表计时 随着时间的变化不断记录量筒中泡沫的 高度 每一分钟观察一次 2 2 2 消泡剂固含量的测定 由于消泡剂都是已经乳化的成品 直接从公司购买 所以并不知道具体含量 所以 一般需要测得乳液的固含量 才能了解乳液中有效成分的具体含量 从而才能进行下一 步试验 固含量顾名思义是乳液或涂料在规定条件下烘干后剩余部分占总质量的百分数 对以下四中消泡剂 702 ESD C Z 25AS TL 56 1 进行固含量的测定 分别称量一定 量的消泡剂于培养皿中 记录各自的质量 在 100 的烘箱中持续烘干 3 小时 然后取出 等其冷却为常温状态 然后分别测得其质量 并计算含固量 2 2 3 单一消泡剂的消泡 抑泡性能测试 在本次试验中聚醚型改性硅油消泡剂 702 为对比消泡剂 使之与复配后的消泡剂进 行对比 所以在进入试验前首先要先测得 702 消泡剂的消泡 抑泡性能 可以与复配的 消泡剂进行对比 使试验更有说服力 试验步骤 首先根据已经测好的含固量 计算所需要消泡剂的质量 分别配制浓度 为万分之一 万分之五的溶液 所需的消泡剂质量分别为 0 02g 100mL 溶液 青岛大学本科论文 设计 13 0 11g 100mL 溶液 第二步配制十二烷基苯磺酸钠 LAS 0 1 溶液 在 25 恒温下进行搅拌 30s 然后 立即倒入量筒中 测量泡沫的高度 第三部用滴定管量取 5mL 配制好的系哦啊跑机溶液倒入量筒中 同时打开秒表 开 始计时 并且重复三次 取平均时间 2 2 4 消泡剂复配及消泡抑泡性能测定 本实验探讨消泡剂之间不同配比对消泡 抑泡性能的影响 所以分为三组实验 分 别是 ESD C 与 Z 25AS 进行复配 ESD C 与 TL 56 1 进行复配 Z 25AS 与 TL 56 1 进行复 配 且在每一组中又分为三个小组 他们之间的配比关系为 A 50 和 B 50 A 25 和 B 75 A 75 和 B 25 首先在小组内进行复配后的稳定性测试 消泡和抑泡性能的测试 从中选出性能最好的一组与另外两组中最好的配比进行比较 从而得到消泡性能最好的一组 实验操作步骤为 按照已经测出的固含量 根据他们之间的配比关系为 A 50 和 B 50 A 25 和 B 75 A 75 和 B 25 分别计算出复配 5g 消泡剂所需要的具体 数值 进行复配 用玻璃棒充分搅拌 使之混合均匀 以免对实验结果产生不良影响 1 分别测量三组已复配好的消泡剂的离心稳定性 在告诉离心机中以 3000r min 转 速离心 30min 观察乳液是否分层 热稳定的测试取消泡剂样品 2 g 放入小试管 中 用橡皮塞塞好 置于 100 水浴中加热 取出冷却至室温 观察其是否稳定 2 配制十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 0 1 计算配制 200mL 溶液所需要的十二烷基 苯磺酸钠的质量 在 25 恒温下倒入烧杯中 用搅拌器均匀搅拌 30s 后 迅速倒 入 250mL 量筒中 测量量筒中泡沫的高度 3 加入消泡剂 用滴定管准确量取 5mL 消泡剂溶液 0 05 滴入的同时开始计时 重复三次 求平均时间和高度 4 对其他两组消泡剂进行同样的实验 并得出最好的一组 使之分别进行比较 5 实验结束 由于硅油会附着在设备上 应该及时清洗设备 处理废液 2 2 5 稳定性测试 1 离心稳定性测试 青岛大学本科论文 设计 14 复配后的消泡剂为乳白色液体 在溶液中为透明但稍显浑浊 在高速离心机中 以 3000r min 搅拌 30min 观察是否分层 2 热稳定性测试 复配后的消泡剂为乳白色液体 在溶液中为透明但稍显浑浊 热稳定的测试取消泡 剂样品 2 g 放入小试管中 用橡皮塞塞好 置于 100 水浴中加热 取出冷却至室温 观察是否分层 青岛大学本科论文 设计 15 3 结果与分析 3 1 十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 起泡性 图 3 1 3 2 分别为不同浓度的十二烷基苯磺酸钠溶液的起泡性 图 3 1 十二烷基苯磺酸钠溶液 0 1 泡沫高度随时间变化图 在实验中可以观察到泡沫起泡高度为 5cm 左右 由图可以看出 在不添加消泡剂的 情况下 泡沫高度下降非常缓慢 消泡时间很长且长时间泡沫不会完全消除 在 60 分钟 内泡沫高度趋于稳定 大约在 3 8cm 左右 青岛大学本科论文 设计 16 图 3 2 十二烷基苯磺酸钠溶液 0 5 泡沫高度随时间变化图 由图可以看出 实验开始时泡沫起泡高度比较高 在 8cm 左右 由图可以看出 在 不添加消泡剂的情况下 泡沫高度下降非常缓慢 消泡时间很长且长时间泡沫不会完全 消除 在 60 分钟内泡沫高度趋于稳定 大约在 4cm 左右 但在 LAS 0 5 的溶液中起泡 高度比较高 在 60 分钟内高度差比较大 相对于 LAS 0 1 的溶液起泡性能有些不稳定 上下起伏比较大 所以在本实验中选用十二烷基苯磺酸钠溶液 LAS 0 1 作为实验用 发泡液 3 2 消泡剂固含量的测定 在 100 烘箱中持续烘干三小时 然后取出 等其冷却为常温状态 然后分别测其质 量 并计算固含量 四种消泡剂含固量如表 3 1 表 3 1 四种消泡剂的含固量测定 培养皿质量 g 总质量 g 剩余质量 g 损失质量 g 含固量 70234 2038 0036 061 9448 95 ESD C39 4143 1040 112 9918 97 Z 25AS41 3545 1542 292 8624 74 青岛大学本科论文 设计 17 TL 56 139 4144 7144 7143 8683 97 在 100 的烘箱中持续烘干 3 小时 然后取出 等其冷却为常温状态 然后分别测得 其质量 并计算含固量 由实验可以得到 702 含固量 48 95 ESD C 含固量 18 97 Z 25AS 含固量 24 74 Z 25AS 含固量 83 97 3 3 单一消泡剂的消泡 抑泡性能测试 表 3 2 3 3 3 4 3 5 分别为四种消泡剂对十二烷基苯磺酸钠 LAS 溶液的消泡 抑泡性的测试结果 表 3 2 702 消泡剂的消泡 抑泡性能测试 起泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 min 溶液 1 0 01 3 6173 615 溶液 2 0 05 3 4103 513 由表 3 2 中可以看出 消泡剂溶液浓度在万分之五时消泡效果比较好 且消泡和抑 泡效果都明显优于浓度在万分之一时 本实验选用消泡剂浓度为万分之一 万分之五的 溶液 进行对比 使实验更有说服力 ESD C 消泡剂的消泡和抑泡性 表 3 3 ESD C 的消泡 抑泡性能测试 起泡高度消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 min 溶液 1 0 01 3 4223 422 溶液 2 0 05 3 2183 315 TL 56 1 消泡剂的消泡 抑泡性 表 3 4 TL 56 1 的消泡 抑泡性能 起泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 min 溶液 1 0 01 3 3213 220 溶液 2 0 02 3 5173 117 青岛大学本科论文 设计 18 Z 25AS 消泡剂的消泡 抑泡性 表 3 5 Z 25AS 消泡 抑泡性能 起泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 min 溶液 1 0 01 3 6233 025 溶液 2 0 02 3 5163 119 由以上三表可以看出三种单一的消泡剂消泡 抑泡时间都比较长 而且都比 702 消 泡剂的消泡 抑泡性差 3 4 消泡剂的复配 3 4 1ESD C与TL 56 1复配结果 对 ESD C 和 TL 56 1 进行三组不同配比的复配 结果如表 3 6 3 7 3 8 表 3 6 配比为 ESD C 50 和 TL 56 1 50 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 0144 012min 溶液 2 0 05 4 083 315s 表 3 7 配比为 ESD C 25 和 TL 56 1 75 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 2144 015min 溶液 2 0 05 3 162 512s 表 3 8 配比为 ESD C 25 和 TL 56 1 75 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 青岛大学本科论文 设计 19 溶液 1 0 01 3 0102 690s 溶液 2 0 05 3 883 09s 由表 3 6 3 7 3 8 可以看出 ESD C 和 TL 56 1 进行三组不同配比的复配后消泡 和抑泡性的测试 可以知道三种复配效果都不是很好 有的消泡时间长 有的抑泡时间 过长 其中第三组 ESD C 25 和 TL 56 1 75 复配效果最好 在 LAS 0 01 下 消泡时间为 10s 抑泡时间为 90s 在 LAS 0 05 下消泡时间为 8s 抑泡时间为 9s 3 4 2 Z 25AS与TL 56 1复配结果 对 Z 25AS 和 TL 56 1 进行三组不同配比的复配 结果如表 3 9 3 10 3 11 表 3 9 配比为 Z 25AS 50 和 TL 56 1 50 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 0153 580s 溶液 2 0 05 2 653 09s 表 3 10 配比为 Z 25AS 25 和 TL 56 1 75 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 2 273 011s 溶液 2 0 05 2 943 09s 表 3 11 配比为 Z 25AS 75 和 TL 56 1 25 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 483 522s 溶液 3 354 012s 青岛大学本科论文 设计 20 2 0 05 由表 3 9 3 10 3 11 可以看出 Z 25AS 和 TL 56 1 进行三组不同配比的复配后消 泡和抑泡性的测试 可以知道三种复配效果都较好 其中第二组 ESD C 25 和 TL 56 1 75 复配效果最好 在 LAS 0 01 下消泡时间为 7s 抑泡时间 110s 在 LAS 0 05 下消泡时间为 4s 抑泡时间为 9s 3 4 3 Z 25AS与ESD C复配结果 对 Z 25AS 和 ESD C 进行三组不同配比的复配 结果如表 3 12 3 13 3 14 表 3 12 配比为 Z 25AS 50 和 ESD C 50 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 2122 910min 溶液 2 0 05 2 893 015s 表 3 13 配比为 Z 25AS 25 和 ESD C 75 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 3 0103 680s 溶液 2 0 05 2 863 415s 表 3 14 配比为 Z 25AS 75 和 ESD C 25 实验结果 消泡高度 cm 消泡时间 s 抑泡高度 cm 抑泡时间 溶液 1 0 01 2 9153 515s 溶液 2 0 05 3 0103 415min 青岛大学本科论文 设计 21 由表 3 12 3 13 3 14 可以看出 ESD C 和 Z 25AS 进行三组不同配比的复配后消 泡和抑泡性的测试 可以知道三种复配效果都不是很好 有的消泡时间长 有的抑泡时 间过长 其中第二组 ESD C 25 和 TL 56 1 75 复配效果最好 在 LAS 0 01 下消泡时间为 10s 抑泡时间为 80s 在 LAS 0 05 下消泡时间为 6s 抑泡时间为 15s 由以上可知 硅油型消泡剂属低毒 抗氧化 破泡能力较强的消泡剂 且由于硅油 本身具有亲油性 因此对油溶性溶液的消泡具有令人满意的效果 但是它的水溶性较差 使其在水体系中的使用收到了一定的限制 在纺织印染行业 尤其是浅色织物的印染 过程中 由于沉淀在织物上的硅斑不易洗净而又一次受到限制 聚醚消泡剂的优点是亲 水性好 且抑泡能力较强 因此在水体系中有较好的消泡效果 但是它又有一个致命的 缺点 就是破泡率低 一旦产生了大量的泡沫 聚醚消泡剂并不能一下有效地消除泡沫 而是需要补加一定量的消泡剂才能慢慢解决问题 考虑到将上述两种消泡剂能有机地结合起来 发挥两者的优势 即产生了一种新型 高效消泡剂 聚醚改性聚硅氧烷消泡剂 又称聚醚改性硅油消泡剂 聚醚改性聚硅氧 烷是通过选择具有较强抑泡能力的聚醚 和疏水性强 破泡迅速的聚硅氧烷为原料进行 反应 从而在聚硅氧烷分子中引入聚醚链段制得的共聚物 简称硅醚 将合成的硅醚 再与增稠剂 乳化剂等成分有效混合 得到具有表面张力低 消泡迅速 抑泡时间长 成本低 用量少 应用面广等特点的聚醚改性聚硅氧烷消泡剂 同时由于聚醚改性硅油 的耐热性 抗剪切性及耐酸碱盐性能好 可用于许多苛刻条件下的消泡 3 5 稳定性的测试 3 5 1 离心稳定性 复配后的消泡剂为乳白色液体 在溶液中为透明但稍显浑浊 在高速离心机中 以 3000r min 搅拌 30min 其中配比为 Z 25AS 25 和 TL 56 1 75 无漂油分层现象 离心稳定性做好产品极易稀释 将消泡剂加水搅拌稀释成 10 20 30 的溶液 在 70 5 的条件下存放 48 h 无沉淀无漂油 配比为 Z 25AS 75 和 ESD C 25 的消泡剂有分层现象 其他复配消泡剂离心稳定性良好 无明显分层现象 青岛大学本科论文 设计 22 3 5 2 热稳定性 复配后的消泡剂为乳白色液体 在溶液中为透明但稍显浑浊 热稳定的测试取消泡 剂样品 2 g 放入小试管中 用橡皮塞塞好 置于 100 水浴中加热 取出冷却至室温 配比为 Z 25AS 25 和 TL 56 1 75 配比为 Z 25AS 75 和 TL 56 1 25 热 稳定性最好 无分层漂油现象 配比为 ESD C 50 和 TL 56 1 50 和配比为 Z 25AS 50 和 ESD C 50 热稳定性差 明显分层 4 结论 综上所述本实验通过研究消泡剂之间的复配 用来提高其稳定性和消泡抑泡性能 其中配比为 Z 25AS 25 和 TL 56 1 75 的复配消泡剂 0 05 为最佳 在最大限 度上减少消泡时间 时间为 4s 抑泡时间为 9s 本实验通