消泡剂的性质和作用机制

消泡剂的性质和作用机制

1消泡剂的种类泡沫通常用于日常生产和生活。泡沫的存在既有好的一面,如有利于洗涤、浮选、灭火、除尘以及制造泡沫塑料和泡沫陶瓷等;但也有很多不利的一面,如在造纸、纺织印染、涂料、聚氯乙烯、油墨、发酵、污水处理等行业中,泡沫会对生产过程和产品质量造成不良影响。因此在工业生产的有关领域中,为了消除(抑制)气泡或泡沫,往往需要加入一定量的消泡剂。消泡包括两方面的含义:一是“抑泡”,即防止气泡或泡沫产生;二是“破泡”,即消除已产生的气泡或泡沫。通常所说的消泡剂即指具有“抑泡”和“破泡”作用的助剂。工业消泡的方法分机械(物理)消泡和化学消泡两类,本文所述的消泡剂属于化学消泡。消泡剂一般应具有如下特性:表面张力小;用量少,消泡(抑泡)力强;扩散性和渗透性好;耐热性好;化学稳定性好;加到起泡液中不影响体系的基本性质;气体透过性好;在起泡液中溶解度极小;无生理毒性,安全性高等等。实际上完全具备这些条件的消泡剂是没有的,一种消泡剂只能对某一种或几种起泡体系有效。也就是说,同一种消泡剂可能在不同的领域中得到应用;同样,在某一领域中也可以采用不同种类的消泡剂。因此,消泡剂种类的选用和用量的大小都应视具体情况并通过试验确定。2影响液膜强度的因素泡沫是气体分散于液体的非均相体系,由于气体与液体的密度相差很大,因此液体中的气泡总是很快地上升到液面,形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物——泡沫。就起泡液本身来说,泡沫的形成和泡沫的稳定性主要受该液体的表面张力、表面黏度、吸附表面电荷、液膜强度、温度和压力等因素影响,而最重要的影响因素是液膜强度。泡沫的破坏过程主要有两种作用方式:一种是消泡剂的铺展作用,就是隔开气体的液膜由厚变薄直至破裂的过程。向起泡液中加入消泡剂后,消泡剂粒子迅速分散在气泡液膜表面,然后逐渐向液膜面扩展,使液膜越来越薄并最终破裂。另一种是消泡剂的插入作用,就是消泡粒子直接插破气泡的过程。有些消泡剂主要是以液滴、固体颗粒或包裹着固体颗粒的液滴形式加入起泡体系的,这些疏水的液滴或固体颗粒具有排液性,可以直接进入液膜形成“架桥”,在液滴或固体颗粒与液膜的界面处形成气泡液膜的薄弱点,导致液膜破裂。一般地讲,消泡剂在气泡液膜表面铺展或渗入越快,消泡的作用越强。3按功能分类分为3种基本类,2.按产品的外形不同分:(1)油状型(如亚麻仁油、矿物油、植物油等);(2)溶液型(如聚醚、部分醇类、硅油溶液等);(3)乳液型(如乳化硅油、乳化矿物油等);(4)复合型(如含硅矿物油、硅油改性聚醚等);(5)固体型(如硬脂酸单甘油酯、粉末状疏水二氧化硅、消泡棒等)。按本体物质的化学结构不同分:(1)矿物油类(如液体石蜡、柴油等);(2)油脂类(如动物油、蓖麻油、大豆油等);(3)脂肪酸及皂类(如硬脂酸、棕榈酸、硬脂酸铝、油酸钙等);(4)醇类(如辛醇、2-乙基己醇、丙二醇等);(5)酯类(如脂肪酸酯、磷酸三丁酯、失水山梨醇脂肪酸酯等);(6)醚类(如环氧乙烷环氧丙烷共聚物(聚醚)、3-庚基溶纤剂等);(7)胺和酰胺类(如二戊胺、硬脂酰胺等);(8)聚硅氧烷类(如乳化硅油、硅油改性聚醚、硅油复合矿物油等);(9)有机极性化合物类(如聚乙二醇、聚丙二醇环氧乙烷加聚物等);(10)无机物类(如疏水二氧化硅、铝钒土等)。按是否含硅分:(1)含硅类(如聚硅氧烷改性聚醚、乳化硅油、疏水二氧化硅等);(2)非硅类(如聚醚、矿物油、高级脂肪酸酯、高级脂肪醇等)。按所用的体系不同分:(1)用于水相体系的(如有机硅乳液、聚醚、脂肪酸及皂等);(2)用于油相体系的(如高级脂肪醇、硅油、矿物油等)。国内外消泡剂产品的发展大致经历了四个阶段:第一代产品是由动植物油、矿物油和高级脂肪醇等有机物构成;第二代产品是环氧乙烷和环氧丙烷嵌段共聚物,即聚醚;第三代产品是聚有机硅氧烷,即硅油或乳化硅油;第四代产品是有机硅与矿物油、聚醚、酯、醇、酰胺等类有机物以及无机物的复合物。按照通常的习惯,实际上根据是否含硅把消泡剂分为有机硅和非有机硅两大类,所用的体系大多数是水相体系。4消泡剂在工业中的应用技术消泡剂在造纸、纺织印染、合成洗涤剂、采油等很多工业领域都有使用。4.1纸纸过程会产生泡沫,降低纸张质量在造纸制浆过程中,植物纤维原料中的多种树脂成分与蒸煮药剂反应,会生成许多具有表面活性的物质,使蒸煮废液容易起泡并产生稳定的泡沫。在纸浆洗涤过程中,由于剧烈的翻动、搅拌,使大量空气混入浆液而产生大量泡沫,影响正常生产。洗浆中所用的消泡剂主要有矿物油类和有机硅类消泡剂。添加了疏水颗粒的该类消泡剂对高温、高碱性的黑液具有很好的消泡效果。在抄纸过程中,从制浆工序中夹带的木质素、脂肪酸及皂、脱墨剂等天然及人工添加的起泡性表面活性剂、合成高分子物质和淀粉等都是可产生泡沫并使其稳定的物质。抄纸工序中产生的泡沫会导致断纸或纸上有孔斑等问题。因此,浆料中的泡沫会降低纸张的质量。不论何种纸、抄纸条件如何,抄纸用消泡剂使用最多的是将高级醇等乳化成水包油(O/W)型的消泡剂和聚乙二醇系的油基型或非油基型消泡剂。而聚硅氧烷乳液消泡剂虽具有快速消泡的优点,但在乳化时大多需配以一定量的乳化剂,这些活性组分在白水(抄纸中滤下的水称为白水)循环过程中,失效后的乳化剂会残留在白水中助长起泡,且硅油对纸张的物理性质、印刷及上胶性能也有干扰,因此在纸张生产的最后阶段不宜使用。抄纸中用的消泡剂除了应具有快速消泡效果外,还不能对施胶效果和成品纸的质量产生不良的影响。涂布纸是在原纸上涂一层涂料经压光而成,可供印刷画报等高级美术品的专用纸。在涂布过程中,因涂料起泡会使涂布纸上出现无涂料的斑痕(即鱼眼),从而影响印刷效果,有鱼眼的纸就成了废次品。涂布过程用的消泡剂有脂肪酸酯及其与聚醚的混合物、硬脂酰胺和脂肪酸在矿物油中的分散体等。消泡剂可以混入颜料中,也可以混入胶黏剂中使用。4.2消泡剂的选用在浆纱过程中,浆纱用的浆液主要成分是黏着剂,其中有天然淀粉类、变性淀粉类、褐藻酸钠和槐豆粉等植物胶类,还有化学黏着剂如羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯等。为使浆液易于浸入,常需向其中配入渗透剂等表面活性剂,从而造成了泡沫的产生。由于浆液中产生的泡沫对于上浆操作会造成很大危害,因此需加消泡剂。该工序常用有机硅乳液或聚醚型的消泡剂。在合成纤维的生产中有上油工序,上油的目的是在纤维表面涂上一层油膜,以增加纤维的抱合力、抗静电性和平滑性。所用的油剂中含有大量的表面活性剂,起泡性很强。泡沫状的油剂达不到上油的目的,易产生废丝,且在需上油的纺丝、拉伸两道工序中,起泡的油剂常常溢出,造成污染和浪费。因此,上油工序也应添加消泡剂来消除泡沫,常用的是有机硅乳液消泡剂。在染整过程中,为使染料和整理剂与织物的纤维发生物理或化学的结合,或是用化学的方法在纤维上成色、交联,而使纺织品具有一定的色泽和必要的功能,需要经过退浆、精练、漂白、染色、整理等工序。这些工序中都要不同程度地使用表面活性剂,在运转过程中因空气的卷入而产生起泡现象。由于起泡,纤维或织物难以充分浸透,使处理效果降低,处理时间延长,且还引起污斑等质量问题,因此需加入消泡剂消泡。退浆、煮练工序碱性强,可选用聚醚型的消泡剂;漂白工序的酸性较强,可以选用有机硅类的消泡剂。4.3消泡剂的使用在洗衣粉的生产过程中,活性物(十二烷基苯磺酸钠)含量要求高、产品密度要求也高的配方,在调整料浆浓度、温度和喷雾压力等工艺条件仍不能生产出合格品的情况下,若干年前的普遍做法是对料浆进行脱气处理,这种办法不仅增加设备和能耗,而且效果十分有限。而今大多采用在配料罐中添加消泡剂的办法来解决。消泡剂一般在工艺水加入后、磺酸或单体加入前加入,若在配完料浆后再加入则不易快速分散,效果欠佳。消泡剂可有效抑制配料过程中因搅拌而产生的泡沫,使配出的料浆比较密实,喷雾干燥后有利于产出密度较大的洗衣粉。该过程通常用的是有机硅类消泡剂。根据洗涤方式的不同,洗衣粉产品分手洗和机洗两大类。手洗的一般要求泡沫丰富,而机洗的正相反。机洗如果泡沫过多,溢出后会影响洗衣机的安全操作,因此机洗的配方一般要求泡沫较低,这就需要在产品中加入消泡剂予以控制。生产这类产品时,通常在前配料工序中加入有机硅类消泡剂,或是在后配料工序中加入含有机硅的固体粉状消泡剂。4.4消泡剂的使用在钻井过程中,需用泥浆泵把泥浆沿钻杆的空心打到底端钻头处,再由钻杆与井壁的空隙返回地面,泥浆返回时把钻下的岩屑携带上来,在泥浆池中岩屑沉淀后,干净的泥浆再循环使用。为使土粒、石粉等固体颗粒悬浮于泥浆中,配制泥浆时就需加入一些表面活性剂。当地层中的天然气逸出时,会使泥浆产生泡沫,这些泡沫来不及自行破灭而又循环回井中。含有大量泡沫的泥浆因密度减小有时会压不住井喷,为此需要加入消泡剂消除泥浆中的泡沫。常用的消泡剂有杂醇类、蓖麻油、煤油、松油、乙基硅油、甲基硅油乳液、磷酸三丁酯、聚醚、脂肪酸金属盐和硬脂酰胺等。在采油过程中,初期油可以自喷,而多数情况则需用抽油机抽取。随着开采的深入,地下含油层不断减压,当压力低于天然气饱和气压时,天然气会在含油层内析出,使井中的原油成为泡沫状态,严重影响抽油泵的正常工作。因此必须在环形空间使泡沫破裂,将油气分离。若使用消泡剂加速油中气泡的逸出可取得增产的效果。消正电荷的泡沫通常用含二甲基硅油和油溶性碱金属脂肪酸盐消泡剂,消负电荷的泡沫通常用含二甲基硅油和油溶性胺类的微晶石蜡消泡棒。此外,天然气的吸收、原油的集输、石油炼制、渣油加工等过程也经常遇到泡沫的问题,通常加入有机硅类消泡剂予以消泡。4.5滤碱过程中增加非离子表面活性剂在重碱滤过洗水中的调无论是氨碱法还是联碱法生产纯碱,都是先生产出重碱(重灰,即碳酸氢钠),然后再去煅烧产出碳酸钠。在重碱煅烧过程中,首先要蒸发掉其中所含的水分,这需要消耗较多的能量,因此重碱含水量的多少是决定纯碱生产成本高低的重要因素之一。在重碱滤过洗水中加入TX-10非离子表面活性剂可大大降低洗水的表面张力,从而减少重碱的水分含量,以达到节能降耗的目的。正常生产中,喷淋的洗水洗涤重碱滤饼后流到母液槽中,由于滤碱机不停转动把空气带入母液中导致大量气泡,母液槽会出现假液位而影响正常操作。因此,需要在重碱滤过洗水中同时加入消泡剂,消除或抑制母液槽中的泡沫。该过程常用的消泡剂是有机硅乳液消泡剂,这类消泡剂因没有毒性,所以不影响生产食用纯碱。4.6聚合反应剂b等分散剂聚氯乙烯(PVC)是由氯乙烯(VC)在引发剂存在下通过聚合反应而生产的。在VC悬浮聚合体系中,存在的聚乙烯醇(PVA)、纤维素醚(HPMC)等分散剂具有类似表面活性剂的作用,由于VC易挥发,在聚合搅拌、放料出料和汽提过程中都容易产生泡沫。因搅拌在聚合釜内产生的泡沫会造成粘釜,粘釜物脱落到釜中会使PVC树脂因黑黄点增多而影响产品质量。设有回流冷凝器的大型聚合釜启用冷凝器时,会有大量VC挥发而产生泡沫。聚合反应结束后,PVC浆料排至出料槽时也会产生大量泡沫。通常加入聚醚、有机硅或二者的复合物消泡剂加以消泡,最常用的是有机硅与聚醚的复合物消泡剂。4.7复合涂料主要产生泡沫为提高产品质量,涂料生产中通常都加入若干添加剂来改善涂料的颜料分散性、料膜外观平整性、产品储存稳定性等。这些添加剂多数属于表面活性剂,都能改变涂料的表面张力,导致涂料在生产或涂刷过程中易产生泡沫,尤其是水基型涂料起泡更为明显。水基型涂料经常用的消泡剂有矿物油、脂肪酸及其金属皂和酯类、乙二醇或丙二醇与环氧乙烷环氧丙烷的加聚物、有机硅乳液等;有机溶剂型的涂料一般用低级醇、烷基磷酸酯、脂肪酸金属皂、硅油等。在使用有机硅消泡剂时用量应适当,若使用过量会产生缩裂、陷穴等缺陷。4.8油墨、水溶液等表面活性剂的用量对活性组分的影响油墨通常分为有机溶剂型和水基型两大类。有机溶剂型的产品在生产和使用过程中都存在火灾危险和环境污染问题,所以水基油墨的量变得越来越多了。为使颜料充分分散,油墨生产中一般都加入表面活性剂作为分散剂,这会造成以烃、醇、水为溶剂的油墨易起泡,尤其是水基油墨特别容易起泡。泡沫的存在会阻碍颜料分散、影响印刷质量。油墨行业常用的消泡剂有脂肪酸及其金属皂和酯类、醇类、硅油类、酰胺类、磷酸酯等,其中硅油对烃溶剂油墨和水基油墨、2-乙基己醇对醇溶剂油墨都是较好的消泡剂。4.9可选用的消泡剂在豆腐或豆花加工过程中,为消除磨浆和煮浆过程中产生的泡沫,一般添加有机硅和脂肪酸酯复合物作为消泡剂。加工高淀粉、高糖分的食品原料时,物料会随泡沫溢出造成浪费并污染车间;煎炸食品时油起泡溢出易出现伤人或火灾事故;在罐头、调味品、啤酒、味精、奶粉、咖啡、饮料、浓缩果汁、制糖等生产过程中也经常遇到泡沫的问题。作为食品添加剂,我国允许使用的消泡剂有丙二醇、高碳醇脂肪酸酯复合物、聚二甲基硅氧烷及其乳液、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙烯胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、羟基硬脂精、乳化硅油、三聚甘油单硬脂酸酯等。这些消泡剂在使用时均不能超过标准规定的限量。4.10生酵液产生的泡沫利用微生物生产酒类、酱油、食醋、味精等食品以及抗生素、维生素等药品时,发泡是常见、必然的现象,特别是好氧发酵在利用空气来搅拌物料并进行生化反应的过程中会产生大量的气泡,发酵罐内经常充满泡沫。这些泡沫对微生物的培养过程、对以后的菌体分离、浓缩和产品分离等工序都会造成许多麻烦。除啤酒、香槟酒、碳酸饮料等的泡沫是有用的、不可缺