消泡劑的性質和作用機制

消泡劑的性質和作用機制

1消泡劑的種類泡沫通常用于日常生產(chǎn)和生活。泡沫的存在既有好的一面,如有利于洗滌、浮選、滅火、除塵以及制造泡沫塑料和泡沫陶瓷等;但也有很多不利的一面,如在造紙、紡織印染、涂料、聚氯乙烯、油墨、發(fā)酵、污水處理等行業(yè)中,泡沫會對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質量造成不良影響。因此在工業(yè)生產(chǎn)的有關領域中,為了消除(抑制)氣泡或泡沫,往往需要加入一定量的消泡劑。消泡包括兩方面的含義:一是“抑泡”,即防止氣泡或泡沫產(chǎn)生;二是“破泡”,即消除已產(chǎn)生的氣泡或泡沫。通常所說的消泡劑即指具有“抑泡”和“破泡”作用的助劑。工業(yè)消泡的方法分機械(物理)消泡和化學消泡兩類,本文所述的消泡劑屬于化學消泡。消泡劑一般應具有如下特性:表面張力小;用量少,消泡(抑泡)力強;擴散性和滲透性好;耐熱性好;化學穩(wěn)定性好;加到起泡液中不影響體系的基本性質;氣體透過性好;在起泡液中溶解度極小;無生理毒性,安全性高等等。實際上完全具備這些條件的消泡劑是沒有的,一種消泡劑只能對某一種或幾種起泡體系有效。也就是說,同一種消泡劑可能在不同的領域中得到應用;同樣,在某一領域中也可以采用不同種類的消泡劑。因此,消泡劑種類的選用和用量的大小都應視具體情況并通過試驗確定。2影響液膜強度的因素泡沫是氣體分散于液體的非均相體系,由于氣體與液體的密度相差很大,因此液體中的氣泡總是很快地上升到液面,形成以少量液體構成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物——泡沫。就起泡液本身來說,泡沫的形成和泡沫的穩(wěn)定性主要受該液體的表面張力、表面黏度、吸附表面電荷、液膜強度、溫度和壓力等因素影響,而最重要的影響因素是液膜強度。泡沫的破壞過程主要有兩種作用方式:一種是消泡劑的鋪展作用,就是隔開氣體的液膜由厚變薄直至破裂的過程。向起泡液中加入消泡劑后,消泡劑粒子迅速分散在氣泡液膜表面,然后逐漸向液膜面擴展,使液膜越來越薄并最終破裂。另一種是消泡劑的插入作用,就是消泡粒子直接插破氣泡的過程。有些消泡劑主要是以液滴、固體顆?；虬腆w顆粒的液滴形式加入起泡體系的,這些疏水的液滴或固體顆粒具有排液性,可以直接進入液膜形成“架橋”,在液滴或固體顆粒與液膜的界面處形成氣泡液膜的薄弱點,導致液膜破裂。一般地講,消泡劑在氣泡液膜表面鋪展或滲入越快,消泡的作用越強。3按功能分類分為3種基本類,2.按產(chǎn)品的外形不同分:(1)油狀型(如亞麻仁油、礦物油、植物油等);(2)溶液型(如聚醚、部分醇類、硅油溶液等);(3)乳液型(如乳化硅油、乳化礦物油等);(4)復合型(如含硅礦物油、硅油改性聚醚等);(5)固體型(如硬脂酸單甘油酯、粉末狀疏水二氧化硅、消泡棒等)。按本體物質的化學結構不同分:(1)礦物油類(如液體石蠟、柴油等);(2)油脂類(如動物油、蓖麻油、大豆油等);(3)脂肪酸及皂類(如硬脂酸、棕櫚酸、硬脂酸鋁、油酸鈣等);(4)醇類(如辛醇、2-乙基己醇、丙二醇等);(5)酯類(如脂肪酸酯、磷酸三丁酯、失水山梨醇脂肪酸酯等);(6)醚類(如環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷共聚物(聚醚)、3-庚基溶纖劑等);(7)胺和酰胺類(如二戊胺、硬脂酰胺等);(8)聚硅氧烷類(如乳化硅油、硅油改性聚醚、硅油復合礦物油等);(9)有機極性化合物類(如聚乙二醇、聚丙二醇環(huán)氧乙烷加聚物等);(10)無機物類(如疏水二氧化硅、鋁釩土等)。按是否含硅分:(1)含硅類(如聚硅氧烷改性聚醚、乳化硅油、疏水二氧化硅等);(2)非硅類(如聚醚、礦物油、高級脂肪酸酯、高級脂肪醇等)。按所用的體系不同分:(1)用于水相體系的(如有機硅乳液、聚醚、脂肪酸及皂等);(2)用于油相體系的(如高級脂肪醇、硅油、礦物油等)。國內外消泡劑產(chǎn)品的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段:第一代產(chǎn)品是由動植物油、礦物油和高級脂肪醇等有機物構成;第二代產(chǎn)品是環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷嵌段共聚物,即聚醚;第三代產(chǎn)品是聚有機硅氧烷,即硅油或乳化硅油;第四代產(chǎn)品是有機硅與礦物油、聚醚、酯、醇、酰胺等類有機物以及無機物的復合物。按照通常的習慣,實際上根據(jù)是否含硅把消泡劑分為有機硅和非有機硅兩大類,所用的體系大多數(shù)是水相體系。4消泡劑在工業(yè)中的應用技術消泡劑在造紙、紡織印染、合成洗滌劑、采油等很多工業(yè)領域都有使用。4.1紙紙過程會產(chǎn)生泡沫,降低紙張質量在造紙制漿過程中,植物纖維原料中的多種樹脂成分與蒸煮藥劑反應,會生成許多具有表面活性的物質,使蒸煮廢液容易起泡并產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫。在紙漿洗滌過程中,由于劇烈的翻動、攪拌,使大量空氣混入漿液而產(chǎn)生大量泡沫,影響正常生產(chǎn)。洗漿中所用的消泡劑主要有礦物油類和有機硅類消泡劑。添加了疏水顆粒的該類消泡劑對高溫、高堿性的黑液具有很好的消泡效果。在抄紙過程中,從制漿工序中夾帶的木質素、脂肪酸及皂、脫墨劑等天然及人工添加的起泡性表面活性劑、合成高分子物質和淀粉等都是可產(chǎn)生泡沫并使其穩(wěn)定的物質。抄紙工序中產(chǎn)生的泡沫會導致斷紙或紙上有孔斑等問題。因此,漿料中的泡沫會降低紙張的質量。不論何種紙、抄紙條件如何,抄紙用消泡劑使用最多的是將高級醇等乳化成水包油(O/W)型的消泡劑和聚乙二醇系的油基型或非油基型消泡劑。而聚硅氧烷乳液消泡劑雖具有快速消泡的優(yōu)點,但在乳化時大多需配以一定量的乳化劑,這些活性組分在白水(抄紙中濾下的水稱為白水)循環(huán)過程中,失效后的乳化劑會殘留在白水中助長起泡,且硅油對紙張的物理性質、印刷及上膠性能也有干擾,因此在紙張生產(chǎn)的最后階段不宜使用。抄紙中用的消泡劑除了應具有快速消泡效果外,還不能對施膠效果和成品紙的質量產(chǎn)生不良的影響。涂布紙是在原紙上涂一層涂料經(jīng)壓光而成,可供印刷畫報等高級美術品的專用紙。在涂布過程中,因涂料起泡會使涂布紙上出現(xiàn)無涂料的斑痕(即魚眼),從而影響印刷效果,有魚眼的紙就成了廢次品。涂布過程用的消泡劑有脂肪酸酯及其與聚醚的混合物、硬脂酰胺和脂肪酸在礦物油中的分散體等。消泡劑可以混入顏料中,也可以混入膠黏劑中使用。4.2消泡劑的選用在漿紗過程中,漿紗用的漿液主要成分是黏著劑,其中有天然淀粉類、變性淀粉類、褐藻酸鈉和槐豆粉等植物膠類,還有化學黏著劑如羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯等。為使?jié){液易于浸入,常需向其中配入滲透劑等表面活性劑,從而造成了泡沫的產(chǎn)生。由于漿液中產(chǎn)生的泡沫對于上漿操作會造成很大危害,因此需加消泡劑。該工序常用有機硅乳液或聚醚型的消泡劑。在合成纖維的生產(chǎn)中有上油工序,上油的目的是在纖維表面涂上一層油膜,以增加纖維的抱合力、抗靜電性和平滑性。所用的油劑中含有大量的表面活性劑,起泡性很強。泡沫狀的油劑達不到上油的目的,易產(chǎn)生廢絲,且在需上油的紡絲、拉伸兩道工序中,起泡的油劑常常溢出,造成污染和浪費。因此,上油工序也應添加消泡劑來消除泡沫,常用的是有機硅乳液消泡劑。在染整過程中,為使染料和整理劑與織物的纖維發(fā)生物理或化學的結合,或是用化學的方法在纖維上成色、交聯(lián),而使紡織品具有一定的色澤和必要的功能,需要經(jīng)過退漿、精練、漂白、染色、整理等工序。這些工序中都要不同程度地使用表面活性劑,在運轉過程中因空氣的卷入而產(chǎn)生起泡現(xiàn)象。由于起泡,纖維或織物難以充分浸透,使處理效果降低,處理時間延長,且還引起污斑等質量問題,因此需加入消泡劑消泡。退漿、煮練工序堿性強,可選用聚醚型的消泡劑;漂白工序的酸性較強,可以選用有機硅類的消泡劑。4.3消泡劑的使用在洗衣粉的生產(chǎn)過程中,活性物(十二烷基苯磺酸鈉)含量要求高、產(chǎn)品密度要求也高的配方,在調整料漿濃度、溫度和噴霧壓力等工藝條件仍不能生產(chǎn)出合格品的情況下,若干年前的普遍做法是對料漿進行脫氣處理,這種辦法不僅增加設備和能耗,而且效果十分有限。而今大多采用在配料罐中添加消泡劑的辦法來解決。消泡劑一般在工藝水加入后、磺酸或單體加入前加入,若在配完料漿后再加入則不易快速分散,效果欠佳。消泡劑可有效抑制配料過程中因攪拌而產(chǎn)生的泡沫,使配出的料漿比較密實,噴霧干燥后有利于產(chǎn)出密度較大的洗衣粉。該過程通常用的是有機硅類消泡劑。根據(jù)洗滌方式的不同,洗衣粉產(chǎn)品分手洗和機洗兩大類。手洗的一般要求泡沫豐富,而機洗的正相反。機洗如果泡沫過多,溢出后會影響洗衣機的安全操作,因此機洗的配方一般要求泡沫較低,這就需要在產(chǎn)品中加入消泡劑予以控制。生產(chǎn)這類產(chǎn)品時,通常在前配料工序中加入有機硅類消泡劑,或是在后配料工序中加入含有機硅的固體粉狀消泡劑。4.4消泡劑的使用在鉆井過程中,需用泥漿泵把泥漿沿鉆桿的空心打到底端鉆頭處,再由鉆桿與井壁的空隙返回地面,泥漿返回時把鉆下的巖屑攜帶上來,在泥漿池中巖屑沉淀后,干凈的泥漿再循環(huán)使用。為使土粒、石粉等固體顆粒懸浮于泥漿中,配制泥漿時就需加入一些表面活性劑。當?shù)貙又械奶烊粴庖莩鰰r,會使泥漿產(chǎn)生泡沫,這些泡沫來不及自行破滅而又循環(huán)回井中。含有大量泡沫的泥漿因密度減小有時會壓不住井噴,為此需要加入消泡劑消除泥漿中的泡沫。常用的消泡劑有雜醇類、蓖麻油、煤油、松油、乙基硅油、甲基硅油乳液、磷酸三丁酯、聚醚、脂肪酸金屬鹽和硬脂酰胺等。在采油過程中,初期油可以自噴,而多數(shù)情況則需用抽油機抽取。隨著開采的深入,地下含油層不斷減壓,當壓力低于天然氣飽和氣壓時,天然氣會在含油層內析出,使井中的原油成為泡沫狀態(tài),嚴重影響抽油泵的正常工作。因此必須在環(huán)形空間使泡沫破裂,將油氣分離。若使用消泡劑加速油中氣泡的逸出可取得增產(chǎn)的效果。消正電荷的泡沫通常用含二甲基硅油和油溶性堿金屬脂肪酸鹽消泡劑,消負電荷的泡沫通常用含二甲基硅油和油溶性胺類的微晶石蠟消泡棒。此外,天然氣的吸收、原油的集輸、石油煉制、渣油加工等過程也經(jīng)常遇到泡沫的問題,通常加入有機硅類消泡劑予以消泡。4.5濾堿過程中增加非離子表面活性劑在重堿濾過洗水中的調無論是氨堿法還是聯(lián)堿法生產(chǎn)純堿,都是先生產(chǎn)出重堿(重灰,即碳酸氫鈉),然后再去煅燒產(chǎn)出碳酸鈉。在重堿煅燒過程中,首先要蒸發(fā)掉其中所含的水分,這需要消耗較多的能量,因此重堿含水量的多少是決定純堿生產(chǎn)成本高低的重要因素之一。在重堿濾過洗水中加入TX-10非離子表面活性劑可大大降低洗水的表面張力,從而減少重堿的水分含量,以達到節(jié)能降耗的目的。正常生產(chǎn)中,噴淋的洗水洗滌重堿濾餅后流到母液槽中,由于濾堿機不停轉動把空氣帶入母液中導致大量氣泡,母液槽會出現(xiàn)假液位而影響正常操作。因此,需要在重堿濾過洗水中同時加入消泡劑,消除或抑制母液槽中的泡沫。該過程常用的消泡劑是有機硅乳液消泡劑,這類消泡劑因沒有毒性,所以不影響生產(chǎn)食用純堿。4.6聚合反應劑b等分散劑聚氯乙烯(PVC)是由氯乙烯(VC)在引發(fā)劑存在下通過聚合反應而生產(chǎn)的。在VC懸浮聚合體系中,存在的聚乙烯醇(PVA)、纖維素醚(HPMC)等分散劑具有類似表面活性劑的作用,由于VC易揮發(fā),在聚合攪拌、放料出料和汽提過程中都容易產(chǎn)生泡沫。因攪拌在聚合釜內產(chǎn)生的泡沫會造成粘釜,粘釜物脫落到釜中會使PVC樹脂因黑黃點增多而影響產(chǎn)品質量。設有回流冷凝器的大型聚合釜啟用冷凝器時,會有大量VC揮發(fā)而產(chǎn)生泡沫。聚合反應結束后,PVC漿料排至出料槽時也會產(chǎn)生大量泡沫。通常加入聚醚、有機硅或二者的復合物消泡劑加以消泡,最常用的是有機硅與聚醚的復合物消泡劑。4.7復合涂料主要產(chǎn)生泡沫為提高產(chǎn)品質量,涂料生產(chǎn)中通常都加入若干添加劑來改善涂料的顏料分散性、料膜外觀平整性、產(chǎn)品儲存穩(wěn)定性等。這些添加劑多數(shù)屬于表面活性劑,都能改變涂料的表面張力,導致涂料在生產(chǎn)或涂刷過程中易產(chǎn)生泡沫,尤其是水基型涂料起泡更為明顯。水基型涂料經(jīng)常用的消泡劑有礦物油、脂肪酸及其金屬皂和酯類、乙二醇或丙二醇與環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷的加聚物、有機硅乳液等;有機溶劑型的涂料一般用低級醇、烷基磷酸酯、脂肪酸金屬皂、硅油等。在使用有機硅消泡劑時用量應適當,若使用過量會產(chǎn)生縮裂、陷穴等缺陷。4.8油墨、水溶液等表面活性劑的用量對活性組分的影響油墨通常分為有機溶劑型和水基型兩大類。有機溶劑型的產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用過程中都存在火災危險和環(huán)境污染問題,所以水基油墨的量變得越來越多了。為使顏料充分分散,油墨生產(chǎn)中一般都加入表面活性劑作為分散劑,這會造成以烴、醇、水為溶劑的油墨易起泡,尤其是水基油墨特別容易起泡。泡沫的存在會阻礙顏料分散、影響印刷質量。油墨行業(yè)常用的消泡劑有脂肪酸及其金屬皂和酯類、醇類、硅油類、酰胺類、磷酸酯等,其中硅油對烴溶劑油墨和水基油墨、2-乙基己醇對醇溶劑油墨都是較好的消泡劑。4.9可選用的消泡劑在豆腐或豆花加工過程中,為消除磨漿和煮漿過程中產(chǎn)生的泡沫,一般添加有機硅和脂肪酸酯復合物作為消泡劑。加工高淀粉、高糖分的食品原料時,物料會隨泡沫溢出造成浪費并污染車間;煎炸食品時油起泡溢出易出現(xiàn)傷人或火災事故;在罐頭、調味品、啤酒、味精、奶粉、咖啡、飲料、濃縮果汁、制糖等生產(chǎn)過程中也經(jīng)常遇到泡沫的問題。作為食品添加劑,我國允許使用的消泡劑有丙二醇、高碳醇脂肪酸酯復合物、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、羥基硬脂精、乳化硅油、三聚甘油單硬脂酸酯等。這些消泡劑在使用時均不能超過標準規(guī)定的限量。4.10生酵液產(chǎn)生的泡沫利用微生物生產(chǎn)酒類、醬油、食醋、味精等食品以及抗生素、維生素等藥品時,發(fā)泡是常見、必然的現(xiàn)象,特別是好氧發(fā)酵在利用空氣來攪拌物料并進行生化反應的過程中會產(chǎn)生大量的氣泡,發(fā)酵罐內經(jīng)常充滿泡沫。這些泡沫對微生物的培養(yǎng)過程、對以后的菌體分離、濃縮和產(chǎn)品分離等工序都會造成許多麻煩。除啤酒、香檳酒、碳酸飲料等的泡沫是有用的、不可缺