甲基硅油乳液的制备解读

1、甲基硅油乳液的制备摘要：本文介绍了以二甲基硅油为原料，二氧化硅为活性成分，Span60和Tween60为乳化剂，成功制得了甲基硅油乳液消泡剂，质量配比为硅膏5%乳化剂3%增稠剂0.5%蒸储水91.5%并讨论了加料顺序、乳化剂用量、HLB值、增稠剂用量等因素对乳液稳定性和消泡效果的影响。实验证明该消泡剂的主要技术指标优于厂家提供的样品，具有较好的经济效益和应用前景。关键词：二甲基硅油乳化剂消泡剂ABSTRACT：Methylsiliconeoilemulsiondefoamerissuccessfullydevelopedwiththedimethylsiliconeoilastherawmat

2、erial,Span60andTween60asemulsifier,thequalitypercentageis,thesiliconpaste5%,emulsifier3%,thickeningagent0.5%,distilledwater91.5%.anddiscussedtheinfluenceofseveralfactorstothestabilityoftheemulsionandtheeffectofdefoaming,thesefactorsincludingtheorderoffeedinginrawmaterial,theamountofemulsifierused,th

3、evalueofHLBandtheamountofthickeningagentused,andsoon.Theexperimentprovedthisdefoamer'smaintechnicalspecificationsurpassesthesimilarproductsthatmanufacturerprovided,andhasthebettereconomicefficiencyandtheapplicationprospect.Keywordsdimethylsiliconeoil;emulsifier;defoamer引言在许多生产过程中，因各种原因常产生有害泡沫。泡沫

4、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。泡沫在造纸、涂料、化工、印染、医药、水处理和食品加工等过程中经常发生。如不适当抑止，泡沫会减少设备有效负载量，延长生产过程的反应时间，增加能耗。因而，如何抑止或减少泡沫的产生，成为许多工业部门的一个重要课题。消除泡沫最有效的方法是使用消泡剂，它能抑制泡沫的产生、消除已生成的泡沫，一种有效的消泡剂不仅能迅速使泡沫破灭，而且能在相当长的时间内防止泡沫的生成。具有什么样的条件才能作为消泡剂使用呢？一般来说，必须具备以下几个条件：1、表面张力要比被消泡介质低；2、不溶于被消泡介质中；3、与被消泡介质具有一定程度的亲和性，分散性要好；4、具有

5、良好的化学惰性且挥发性要小。目前通用的消泡剂种类较多，不同的生产工艺对消泡剂要求不同。按成份可分为有机硅、聚醴、油脂、脂肪酸、磷酸酯、醇、醴、胺等，其中有机硅消泡剂由于其具有应用面广、表面张力小、热稳定性及化学稳定性好、生理惰性及消泡能力强等特点，在现实应用中所占的比例越来越大。有机硅消泡剂与一般消泡剂相比，具有用量少(10100仙g/g)、消泡力强、耐高温、挥发性低、无毒、化学性能稳定、不溶于起泡介质等特点，是应用最广的一类消泡产品。有机硅消泡剂是在硅油中添加各种分散助剂配成的一类有机硅二次加工产品。有机硅消泡剂按其物理状态可分为四大类，即硅油型、硅油溶液型、硅油混合物型和硅油乳液型。其中前

6、三大类只适用于非水体系。而硅油乳液型既适用于水相也可以用于油相，是一种常用型的消泡剂。我国有机硅消泡剂已得到广泛应用。但与国外每年万吨以上有机硅消泡剂消耗量相比，无论是在档次、品种，还是在数量上都还存在很大差距。一些高档次设备用的高效有机硅乳液系列消泡剂还主要依赖进口。有机硅消泡剂与其它种类的消泡剂相比较有以下五个特点：(1)、在化学结构上，不同于其它有机化合物类消泡剂，为非极性，不会与水及极性基团发生缔合，也不会与不同SP值的姓:类化合物发生缔合。所以，有机硅消泡剂在水、动植物油、高沸点矿物油中都不溶解，对大部分发泡体系都有消泡效果，而且抑泡的持续性也相当好。(2)、表面张力小，所以有非常强

7、的消泡效果。一般用量仅为发泡液量的10M0-6200X10%就能达到很好的效果，因此对产品的性能也不产生影响。(3)、化学稳定性、耐热性好，能适应中性发泡体系150C高温的消泡。(4)、甲基硅油具备生理惰性，可用于食品行业化妆品及医药行业，其配制的消泡剂对人体安全。有机硅消泡剂的生化耗氧量极小，用于排污系统的消泡不会增加污泥的负荷。(5)、品种型号多，可供多种发泡体系选择。1实验部分1、1实验原理1)消泡机理泡沫就是不溶性气体在外力作用下进入液体内，而被液膜包围起来形成的相互隔离的非均相体系。泡沫的本质是不稳定的，但当体系中溶有表面活性剂时，气泡表面就会吸附一层表面活性剂分子，当其达到一定浓度

8、时，气泡壁就形成了一层坚固的薄膜。由于表面活性剂吸附在气液界面上，造成液面表面张力下降，从而使气液接触表面积迅速增加，体系的自由能也迅速增加。泡沫体系自由能的增加=表面张力X增加表面积的乘积泡沫产生的难易程度与液体体系的表面张力直接有关，表面张力越低，体系形成泡沫所需的自由能就越小，就越易生成泡沫。气泡的相对密度比水要小，当上升的气泡透过液面时，液面上的一层表面活性剂分子又被吸附上去，因此,暴露在空气中的气泡就包含了两层表面活性剂分子，形成双分子膜,被吸附的表面活性剂对液膜就形成了一种保护。消泡剂的作用就是要进入到泡沫的双分子定向膜中,从而破坏定向膜的力学平衡而达到破泡的目的。破泡一般要经过三

9、个过程一一气泡的再分布、膜厚的减薄和膜的破裂。消泡剂必须是在溶液表面易于铺展的液体。这是因为液体在溶液表面铺展时会带走邻近表面的一层溶液，使液膜局部变薄，有助于液膜破裂。一般情况下，消泡剂在溶液表面铺展得越快,液膜减薄速度越快,使液膜迅速达到临界厚度,消泡作用越强。一般能在表面铺展、起消泡作用的液体，具表面张力也较低，易于被溶液表面所吸附，使溶液表面局部表面张力降低(即表面压增高),从而发生不均衡现象。于是铺展就由此局部开始，同时带走表面下一层邻近液体，致使液膜变薄，从而破坏气泡膜。一种成功的消泡剂必须同时具备消泡、抑泡双重作用，即不仅能迅速破坏已经生成的气泡，而且能在相当长的时间抑制泡沫的生

10、成。由此可见，消泡的原因主要有两方面：一方面在于易于铺展，吸附的消泡剂分子取代了起泡剂分子，形成了强度较差的气泡膜；另一方面在铺展过程中带走邻近表面层的部分溶液，使泡沫液膜变薄，降低了泡沫的稳定性，使之易于破坏。2）有机硅油的类型及应用有机硅油的类型硅油一般都是指有机硅油，有机硅油一般都是二甲基硅油。它是是一种不同聚合度链状结构的聚有机硅氧烷。它是由二甲基二氯硅烷加水水解制得初缩聚环体，环体经裂解、精储制得低环体，然后把环体、封头剂、催化剂放在一起调聚就可得到各种不同聚合度的混合物，经减压蒸储除去低沸物就可制得硅油。最常用的硅油，有机基团全部为甲基，称中基硅油。有机基团也可以采用其它有机基团代

11、替部分甲基基团，以改进硅油的某种性能和适用各种不同的用途。常见的其它基团有氢、乙基、苯基、氯苯基、三氟丙基等。近年来，有机改性硅油得到迅速发展，出现了许多具有特种性能的有机改性硅油。硅油按化学结构来分有甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、含氟硅油等；从用途来分，则有阻尼硅油、扩散泵硅油、液压油、绝缘油、热传递油、刹车油等。有机硅油的应用硅油有许多特殊性能，如温粘系数小、耐高低温、抗氧化、闪点高、挥发性小、绝缘性好、表面张力小、对金属无腐蚀、无毒等。由于这些特性，硅油

12、以应用在许多方面而具有卓越的效果。在各种硅油中，以甲基硅油应用得最广泛，是硅油中最重要的品种，其次是甲基苯基硅油。各种官能性硅油及改性硅油主要用于特殊目的。3）有机硅消泡剂的特性和用途二甲基硅油的特性：二甲基硅油分子结构可表示为：CH卡CH中IIJI如CH例WH泗CH卡二甲基硅油是工业硅油的主体。线性聚二甲基硅油最显著的特性之一是它在非常宽的摩尔质量范围内从162g/mol(六甲基二硅氧烷)到500000g/mol是能流动的液体，相应地，其黏度范围也很宽，从六甲基二硅氧烷的0.65mm2/s(20oC)一直到黏度测定方法不能够达到的范围。二甲基硅油表面张力低，是一种优良的消泡剂原料，但其在水中

13、的分散性能较差,故单纯的二甲基硅油并无消泡效果，但将其乳化后，表面张力迅速降低，使用很小量就能起到很强的破泡和抑泡作用，成为一种重要的消泡剂成份。硅油乳液型消泡剂一般具有较高的消泡效能，其消泡性能的关键在于硅油的乳化，如果乳化不完全，使用时会破乳，影响其使用效果。常用的有机硅消泡剂都是以硅油作为基础组分，配以适宜的溶剂、乳化剂及填料配制成的。有机硅作为优良的消泡剂，除消泡力强外，还具有良好的化学稳定性、生理惰性和耐高低温性能好等，因而硅油的应用范围是非常广的，应用前景也是相当好。乳液型有机硅消泡剂是以二甲基硅油为主要原料，添加其它辅料，经在机械搅拌作用下乳化而成的一种消泡剂。有机硅消泡剂的应用

14、因有机硅消泡剂具有良好的热稳定性、化学稳定性及生理惰性等特性，通常应用于食品和医药行业。它对所有气泡体系都具有抑泡、破泡功能，属于广谱型消泡剂范畴，因而被广泛用于洗涤剂、造纸、纸浆、制糖、电镀、化肥、助剂、废水处理等生产过程中的消泡。在石油工业中，被大量用于天然气的脱硫，加速油气分离；还被用于乙二醇的干燥、芳香姓的萃取、沥青的加工、润滑油的脱蜡等装置中控制或抑制气泡。在纺织工业中，被用于染色、精练、上浆等过程中的消泡；在化学工业中，被用于合成树脂、胶乳、涂料、油墨等过程中的消泡；在食品工业中，被用于各种浓缩、发酵、蒸储过程的消泡。还可将硅脂涂在锅壁上、出口处或涂在金属网上，进行消泡。将硅脂加低

15、粘度硅油配成水乳液，可用于多种水相系统消泡。1、2实验仪器KDM型调温电热套，250ml四口烧瓶、JB50-D型搅拌器，高纯氮气、球形冷凝管、干燥器、温度计、控温仪、直形冷凝管、牛角管、单口烧瓶、油泵、氮气袋、QM-BP行星球磨机，三口烧瓶、高速分散机，胶体磨，粘度计。1、3实验药品八甲基环四硅氧烷（D）、六甲基二硅醴（封头剂MM、四甲基氢氧化胺、span-60（天津市大茂化学试剂厂）、tween-60（天津市大茂化学试剂厂）、竣甲基纤维素钠（上海新量化工试剂有限公司）、正十二醇（中国医药集团上海化学试剂公司）、十六醇（上海凌峰化学试剂有限公司）、十八醇、二氧化硅（中国医药上海化学试剂公司）。

16、1、4试验方法和主要步骤1）、二甲基硅油的制备八甲基环四硅氧烷与六甲基二硅醴在催化剂四甲基氢氧化胺的作用下聚合而成分子量为2000的二甲基硅油。反应方程式如下：CH#CHK、CH/此0N一A与i-CHRT71其中：m-由二甲基硅油的分子量确定因为催化剂的粘度较大，所以先将催化剂加入到四口烧瓶中，再加入八甲基环四硅氧烷和六甲基二硅醴。将好实验仪器，用高压氮气瓶通入氮气15min,将四口瓶中的空气及水蒸汽赶出。然后加热至80心,并搅拌（分子量低时可用电磁搅拌，分子量大时要用搅助力拌器搅拌），反应时间为30min;然后升温至90C,反应时间为4h;最后升温至150C,分解催化剂，反应时间为30min

17、。反应完成后，改用氮气袋通氮气，减压蒸储，将其中未反应的低沸点物料蒸出，四口瓶中的液体即为所制得的二甲基硅油。2）、硅膏的制备硅油和二氧化硅按一定的质量比，在球磨机中以25Hz研磨67小时，得到乳白色的硅膏。研磨后的硅膏的好坏可以通过观察是否有分层现象发生，如果没有分层现象，则可以说明二氧化硅在硅油中的分散情况较好，而且对以后的乳化有积极的影响。3）、二甲基硅油乳液的制备乳液的制备工艺通常有以下两种方法：（1）在溶有乳化剂的水相中，搅拌下，逐渐加入硅油（Agent-in-Water法）。（2）在溶有乳化剂的硅油中，搅拌下，逐渐加入到水中（Agent-in-Oil法）。工业生产中一般采用第二种方

18、法。本实验也采用第二种方法。将乳化剂和助乳化剂加入硅膏中并加热到70C,配成溶液I;将稳定剂竣甲基纤维素钠溶解到蒸储水中，并加热使之完全溶解，制成溶液在高速搅拌下将溶液R缓慢加入到溶液I中，进行乳化，乳化时间为45min,得乳白色的二甲基硅油乳液。4）、性能测试、离心稳定性：采用高速离心机测试消泡剂的稳定性。转速3000rpm;乳液量10ml;离心时问30min,观察消泡剂的分层情况。、消泡抑泡性：在50ml量筒中加入10ml蒸储水，取少量起泡剂十二烷基苯磺酸钠加入量筒中，振动量筒有气泡迅速产生，当气泡量达到20ml时，取一滴制得的消泡剂加到量筒中，观察所产生的气泡的破泡情况，并记录泡沫完全消

19、失所需要的时间，消泡时间越短，消泡效果越好。然后振动量筒，观察是否有气泡产生，以此来判断其抑泡性能。、水分散性将少量消泡剂加入到将有蒸储水的试管中，轻轻摇动，观察其在水中的分散情况。（优：迅速扩散，液体澄清;良：扩散速度较慢，且有少量絮状物较难分散；差：不易分散，且絮状物较难消失。）、热稳定性取5ml消泡剂样品加入小试管中并用水稀释一倍，用塞子塞好，浸入沸水中加热1h,观察其稳定性。2结果与讨论2、1二甲基硅油粘度对乳液性能的影响二甲基硅油表面张力低，消泡能力强，热稳定性好，具有化学和生理惰性，并且不溶于水、动植物油和高沸点矿物油中，因此，对大多数起泡介质有优异的消泡性能，可作为消泡剂的主体成

20、分。二甲基硅油的粘度和在乳液中的含量对乳液的制备和消泡剂的消泡性有一定的影响。低粘度的二甲基硅油表面张力小，易分散于起泡液中起消泡作用，但溶解性大，抑泡时间短，而高粘度的二甲基硅油溶解性小，抑泡时间长，但乳化困难，且所制得的消泡剂粘度过大，流动性差。但是从稳定性方面考虑，因为高粘度的二甲基硅油的粘度大，使所制得的消泡剂稠度增大，稳定性明显高于低粘度二甲基硅油所制得的消泡剂。硅油粘度对乳液性能的影响粘度/cps38.3180.3725.3离心稳定性略有沉淀略有沉淀基本无沉淀消泡性较好较好较不抑泡性较好较好较不水分散性优优中热稳定性较好较好较不2.2 .二氧化硅的选择长期以来，人们致力于改善甲基硅

21、油的消泡效果，发现甲基硅油的消泡能力，能够通过加入粒径小于25mm的硅、镁、铝的氧化物作为固体填料而得到改进。本实验中选用二氧化硅为固体填料，因二氧化硅表面有大量的羟基而有助于增强硅油在起泡体系中的分散能力，增加乳液的稳定性，明显改善消泡性能。常用的二氧化硅有气化二氧化硅、沉淀二氧化硅、熔融二氧化硅、硅胶、硅溶胶及石英粉末等，其中气相二氧化硅比表面积大，密度小，易分散，制成的乳液稳定，但价格是沉淀二氧化硅的56倍，为降低成本本实验中选用沉淀二氧化硅。二氧化硅的粒度对消泡剂的消泡效果有一定的影响，粒径太小不足以破泡，粒径太大沉降太快，几乎丧失消泡性。本文选择的粒么尺寸为225mm。2.3 .硅膏

22、配比对乳液性能的影响二甲基硅油与沉淀二氧化硅的配比对消泡剂的消泡效果有很大的影响，根据文献中所作的讨论二甲基硅油与二氧化硅的配比在20:3时消泡效果最好，故本文选择二甲基硅油：二氧化硅=20:3的比例进行配比。硅膏配比对乳液性能的影响配比（硅油/二氧化硅）20:220:3乳液外观有浮油，流动性差无浮油，流动、稳定性较好2.4 .乳化剂对乳液性能的影响1）乳化剂的选择乳化剂的选择是实验成功与否的关键。几十年来，研究工作者对乳化剂的结构和性能的关系、孚L化剂的选择、乳化剂的复配等关键性问题提出了很多半经验的方法，其中用的最为普遍的是亲水一亲油平衡法（HLB）,但是乳化剂的选择还主要依赖于实践经验，

23、因为具有同样的HLB值，但乳化剂种类及配比不同时，所制得的乳液的性能差异很大。由于硅油是一种不易乳化的物质，且随着粘度的增大而越难以乳化，故使用的乳化剂主要是低起泡性的非离子乳化剂，而且使用混合乳化剂的效果要明显优于单一乳化剂，因此根据文献中所研究的结果，本实验选择Span-60和Tween-60两种乳化剂进行复配，其中Span-60的HLB值是4.7,Tween-60的HLB值是14.9。乳化剂的主要作用是降低界面张力，提高乳液的稳定性，促进乳液的形成。故乳化剂是保证乳液稳定的最重要的条件，同时由于Span-60常温下是固体，Tween-60为粘稠的液体，在某种程度上增大了乳液的粘度，也提高

24、了乳液的稳定性。在乳化过程中加入少量的助乳化剂对乳液的稳定性和消泡性也有很大的提高，常用的助乳化剂有正十二醇、十六醇、十八醇等，助乳化剂的作用也是降低表面张力，因为助乳化剂的表面张力比较小，所以在乳液中存在一定量的助乳化剂能显著降低乳液的表面张力，提高乳液的稳定性和消泡性。助乳化剂可以只加入一种，也可以同时加入几种，不过助乳化剂加入的量很少，本实验中加入的助乳化剂量为0.5%。2）乳化齐iJHLBS的影响乳化剂HLB值对消泡剂的稳定性和消泡的影响见下表。乳化剂不同HLB值对消泡剂的影响乳化剂HLB值离心稳定性消泡时间/s6.07.08.09.0无分层，底部有人量沉淀25.5无分层，底部有较多沉

25、淀30.6无分层，底部有少量深沉15.1无分层，底部有少量沉淀30.5由上表口知，乳化剂HLB值=8.0时离心稳定性、消泡效果较好。3）乳化剂用量的影响乳化剂用量对消泡剂性能的影响见下表乳化剂用量对消泡剂性能的影响乳化剂用量（）22.533.54粘度较小较小较小较大很大离心稳定性较好较好好好过稠消泡时间25.530.215.120.530.0由上表可知，随着乳化剂用量的增加，乳液粘度增大，离心稳定性提高，但是消泡效果也相对变差，因此综合各种因素，乳化剂用量为3%时较好。2.5 .增稠剂用量的影响由于硅油及所配制的乳液粘度不高，稳定性不好，因此外相粘度将直接影响乳液液珠之间的碰撞频率，通常乳液的

26、粘度较高时稳定性较好，所以为了使消泡剂能够保持较长时间的稳定性，配方中需要加入一定量的增稠剂作为乳液的稳定剂。增稠剂之所以能起到一定的稳定作用也是本身所具有的性质决定的，因为增稠剂溶于液相时液相的粘度显著增大。常用的增稠剂有羟乙基纤维素钠、竣甲基纤维素、海藻酸衍生物和聚乙烯醇等。本实验中选用竣甲基纤维素钠。增稠剂用量对消泡剂稳定性的影响见下表。增稠剂用量对消泡剂稳定性的影响增稠剂用量（）0.40.50.60.70.80.9粘度较小较小较小较大较大离心稳定性较不较好较好较好好好消泡时间10.99.510.520.534.530.6抑泡性差好较好较不差较好由上表可知，增稠剂的用量对乳液的稳定性和消

27、泡性、抑泡性有很大的影响，增稠剂用量少，粘度小，稳定性差；用量多，粘度过高，消泡抑泡性变差，所以本实验中增稠剂用量为0.5%。2.6 .加料顺序的影响加料顺序的不同也会对乳液的性能有一定的影响，常用的加料方法有四种：(1)乳化剂溶解在水中，然后再慢慢的加入到硅油中乳化；(2)乳化剂溶解在水中，然后把乳硅油加入到此溶液中乳化；(3)乳化剂溶解在硅油中，乳化过程中将水慢慢加入；(4)乳化剂溶解在硅油中，再将其加入到水中慢慢进行乳化。加料顺序对乳化效果的影响见下表。加料顺序对乳化效果的影响乳化剂所在的相水加入油油加入水水相较好较好油相好较好由上表可知，采用乳化剂溶解在油相中，在乳化过程中慢慢将水加入

28、到油相中的方法所制得的乳液效果比其它三种方法要好，原因是乳化剂加入到油相中，能使硅油充分的分散于乳化剂中，经过一段时间的乳化，油滴的粒径将明显得变小，而后随着水的加入油滴将会进一步分散，减少了油滴相遇的机率，最终获得比较稳定的乳液。2.7 .高速分散与胶体磨研磨效果的对比高速分散与使用胶体磨研磨的作用都是将乳液中存在的固体颗粒或较大的胶体分子在高速剪切机的高速旋转作用下使固体颗粒或较大的胶体分子变细变小，并充分分散到水相中，以此来达到稳定的目的，并在一定程度上提高了乳液的消泡效果，因为二氧化硅分子越小消泡作用越好，所以高速分散后的乳液消泡剂的消泡性和稳定性都将会有很大的提高。但是两者对乳液的影

29、响效果是不同的，高速分散机的作用只是对固体颗粒起到剪切作用，而胶体磨的作用除了能起到剪切作用外还具有研磨的作用，因此使用胶体磨处理的乳液的效果将明显好于使用高速分散机的效果。具体的不同见下表。高速分散胶体磨研磨分散前分散后研磨前研磨后外观略有分层，流动性较不无分层，稳定，流动性好流动性较差流动性较好离心稳定性底部有少量沉淀底部略有沉淀底部略有沉淀无分层，无沉淀较好较好消泡性抑泡性/、.、J.较不抑泡性差较好抑泡性较好/、.、J.较不/、.、J.较不3结论通过以上实验，总结出实验成功的关键在于：(1)乳化剂的HLB值，乳化剂的HLB值将直接影响乳液的乳化效果；(2)增稠剂的用量，增稠剂的用量对乳

30、液的稳定性起重要作用；(3)硅油与二氧化硅的配比对乳液的消泡性起重要的作用；(4)用胶体磨对乳液进行后期处理。除此之外，硅油的粘度、乳化剂的用量、加料顺序等对乳液的消泡性的影响并不太大，有较宽的选择性。最终确定的消泡剂的配方为：二甲基硅油10%,二氧化硅1.5%,复合乳化剂3%,HLB值为8.0,助乳化剂0.5%,增稠剂0.5%,蒸储水84.5%,得到白色乳状液消泡剂。4结束语毕业设计终于在今天划上了句号，它对我的影响是巨大的，四个多月的时日，我懂得了如何发现问题和解决问题，如何进行和改进实验，以及多种测试手段的操作。但出于个人知识水平有限，没能将实验进行得尽善尽美，实验中出现了不少问题，目前我仍有许多知识未能熟练运用。同时，由于实验条件与时间的原因，有许多环节（如力学性能测试方面）也未能达到理想的效果。5致谢在大学生活即将结束的时候，我们在一起度过了三年中最后的一段时光。在论文即将结束之刻，我向曾经给我帮助和关怀的各位老师和同学表示衷心的感谢。首先要感谢王老师在我学习和实验时给予了我大量的帮助和指导，并认真分析和解决我在实验中遇到的各种难题，在