合肥消泡剂,顾名思义是消除泡沫的一种助剂。它消除的对象是泡沫,且是对日常生产和生活带来危害的泡沫。在工业生产过程中,只要涉及到搅拌的都会存在泡沫的问题,如制浆造纸、纺织印染、涂料加工、污水处理、生物发酵、石油开采与精炼、建筑工业、粘合剂等等。这些工业过程中的泡沫可能会造成很多问题,如生产能力减小、原料浪费、反应周期延长;产品质量下降等等。由此可见,有害泡沫的控制和消除具有极大的技术与经济意义
[ 1]。工业过程中的泡沫消除基本依靠消泡剂,本文主要结合长期的工作经验和国内外的研究谈谈合肥消泡剂的研究现状与发展趋势。
1、合肥消泡剂的特性与分类泡沫的消除方法很多,有机械方法和化学方法。机械方法主要通过调节体系的温度和压力等方法消泡,化学方法主要指向体系中加入一定量的消泡剂。相比较而言,添加消泡剂的方法被认为是高效的方法
[ 2]。合肥消泡剂必须要满足两个基本特性:不溶于或微溶于起泡介质;表面张力比起泡介质要低
[ 3]。除此之外,还要求合肥消泡剂具备消泡速度快、抑泡时间长、用量少、不会有副作用和环境友好等特性。不同的行业不同的工序中的起泡环境的不同性决定了消泡剂的多样性。从合肥消泡剂的外观形态看,合肥消泡剂可以分为固体消泡剂和液体消泡剂;从消泡物质的种类看,消泡剂可以分为有机硅消泡剂、聚醚消泡剂和矿物油消泡剂等等。
2、合肥消泡剂的理论研究国外在二十世纪20年代就开始了对消泡剂的研究和认识,而国内则在二十世纪80年代才开始使用
[ 4]。虽然如此,对合肥消泡剂作用机理的研究至今仍没有形成统一的认识
[ 5]。经过许多学者的研究,目前基本认同了几种合肥消泡剂消泡机理, Denkov N D
[ 6]也作了归纳和分析,但是它只能解释聚硅氧烷型的消泡剂在一些体系中的消泡过程。对其它很多体系和现象并不能完全解释。从消泡物质表面张力比较低的角度出发,提出了Bridging - Spreading机理(架桥-铺展机理)。Arnaudov L等
[ 7]根据消泡速度的快慢,将合肥消泡剂分为快消泡剂和慢消泡剂,并快消泡剂液滴具有较低的进入能垒,因此,能在膜变薄的初期很容易在泡膜的表面上架桥。DippenaarA
[ 8]提出的Bridging- Dewetting机理是从合肥消泡剂液滴属于疏水型的角度出发的,它一旦在两个泡膜之间形成了油桥,就会在水相中脱湿。当消泡剂油滴变形时,它就会进入到泡膜的表面形成透镜的形状,透镜会被两端相反的泡膜脱湿。但这种机理对于粘度很大的聚硅氧烷的消泡作用就不能很好地解释。通过上述的比较可以看出,Bridging- Dewetting机理要求消泡剂油滴在进入到泡膜表面时能变形,但是变形的速度不宜快于脱湿的时间,如果变形过快就不能发生脱湿过程,此时就要用Bridging- Spreading机理解释。只要合肥消泡剂能进入到泡膜的表面,上述两种机理都可能会发生[ 9]。在一个给定的体系中,到底以哪一种机理消泡主要取决于脱湿和变形的速度,这也没有理论模型来说明,因此只能通过试验探索。高粘度的消泡剂油滴一般遵循Bridging- Dewetting机理,而低粘度的聚硅氧烷一般遵循Bridging- Spreading机理,因为低粘度的消泡剂油滴容易变形。另外,文献中还提出了Spreading- Fluid Entrainment机理
[ 10],这个机理也是从合肥消泡剂油滴的低表面张力角度出发的,认为消泡剂在泡膜表面能很快铺展。
3、合肥消泡剂性能评价目前尚未对消泡剂的评估形成统一的评估标准,这与不同行业不同工序产生泡沫的原因、泡沫所处的环境以及泡沫自身的稳定性有很大的关系。不同的起泡体系就要求有不同的消泡剂。消泡剂的评估一般可从消泡性能、抑泡性能、相容性能、脱气性能、涂刷性能等方面评估
[ 11]。国外有学者单就消抑泡性能的测试进行过相关的研究和分析,方法主要有摇瓶法、循环鼓泡法、高速分散法、气体鼓泡法、振荡法等等[ 12]。使用不同的测试方法有时可得到同样的结果,也可能得到截然相反的结论,因为测试结果很大程度上依赖于测试条件、消泡剂浓度、消泡剂液滴的大小、搅拌的时间和强度、测试方法等。选择何种测试方法依赖于几个因素,如破泡速率和测试时间等方面,不同的消泡剂破泡速率不同,而测试时间主要决定于实际应用的情况。
4、合肥消泡剂的研究进展
4. 1有机硅消泡剂的研究进展水相体系中的消泡剂种类很多,有聚硅氧烷、脂肪醇、矿物油等等类型的,相比较而言,有机硅消泡剂被认为是水相体系中的高效的消泡剂。大量的实验证明,单纯的二甲基硅油不具有消泡和抑泡作用,根据Denkov N D的理论,单纯的二甲基硅油不具有较低的进入能垒(Entry Barrier),因此,不能达到泡膜的表面上,故不能很好发生消泡作用。单纯的二甲基硅油型消泡剂称为慢消泡剂。将细小的白炭黑粒子加入到二甲基硅油中,经过特定的化学工艺处理得到的硅脂有明显的消泡和抑泡性能
[ 13], Denkov N D等人将这种作用归功于白炭黑粒子的加入使得二甲基硅油具有了较低的进入能垒(Entry Barrier),除此之外,白炭黑粒子吸附在泡膜上也增加了硅脂的进入深度。因此,硅脂型消泡剂就被称为快消泡剂
[ 14]。合肥消泡剂的性能也是在不同的领域中有着不同的侧重点,对于水性油墨和涂料体系要求消泡剂的相容性和消抑泡性能。为了满足消泡剂的这种特殊要求,必须要对硅油的结构改性。聚醚改性有机硅的消泡剂在水性涂料、水性油墨上研究得较多,Goldschm iftAG申请了许多聚醚改性聚硅氧烷用作消泡剂的专利
[ 15]。有机氟基团改性聚硅氧烷主要在油相体系中应用较多,不同结构的氟烷基、氟烷基的链节百分数、聚硅氧烷的链长等因素都会造成消抑泡性能好坏的问题[ 16, 17]。
4. 2聚醚型消泡剂聚醚是一类由C- O- C键组成的聚合物,主要是利用双金属催化剂或强碱作催化剂在含有活性O- H或N- H键上嵌入环氧乙烷( EO)、环氧丙烷( PO)或环氧丁烷(BO)而形成的
[18]。聚醚用作消泡剂主要是利用其溶解性和温度之间的关系特性。对于含EO的非离子表面活性剂来说,随着温度的升高,聚醚在水中的溶解性从溶于水向不溶于水过渡。当聚醚在水中以一定大小的颗粒存在时,它就符合不溶于起泡介质这条合肥消泡剂的特性,因此,它能在此时充当某些介质中的消泡剂。特别是一些不能用有机硅作为合肥消泡剂的行业与领域,例如钢板清洗、电路板清洗、造纸工业等等。但是在很多实际的情况中,聚醚的消泡能力不够,而且实际的消泡温度变化范围较大,此时聚醚消泡剂聚醚表现出明显的缺陷。因此,就有必要对聚醚改性,一般改性的方法是利用活性基团与聚醚结构上的羟基发生反应,涉及到的单元反应主要有酯化反应、缩合反应。改性物质包括脂肪酸,如月桂酸和硬脂酸,以及偶联剂,如二甲基二乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷[ 19]。4. 3矿物油类消泡剂矿物油型的消泡剂也是一类比较重要的消泡剂,其主要在油墨、胶粘剂、涂料等方面应用比较广泛。矿物油型的消泡剂的基本组成是矿物油、疏水粒子和乳化剂等。其基本制备工艺是将矿物油和疏水粒子在高温下混合,以便于疏水粒子在矿物油中的分散,从二次聚集恢复成一次聚集,然后在温度较低时加入乳化剂,以达到消泡剂在水中能自乳化分散的目的。但是,根据不同的行业、不同的工序,有时需要消泡剂分散性好,有时又不需要消泡剂分散性好。这是因为这些行业中本身就使用到大量的分散剂、润湿剂等等表面活性剂,它们也能将消泡剂分散开来,发挥消泡剂的作用[ 20]
5、合肥消泡剂的发展趋势随着国民经济的迅速发展,在各种工业中要使用大量的助剂,但这样就会产生大量的危害泡沫。为了提高生产效率,合肥消泡剂就成为不可缺少的化学助剂。有机硅消泡剂、聚醚消泡剂和矿物油消泡剂是当今时代的消泡主体物种。如何进一步提高消泡剂的性能,降低消泡剂产品的用量成了科研工作者的重要任务。针对这3种类型的消泡剂应该主要发展趋势如下:( 1)有机硅消泡剂在不同的行业中有着不同的侧重点,提高有机硅消泡剂的品质是至关重要的,其品质主要包括抑泡性能、消泡性能、稳定性、相容性、抗剪切性能等等;( 2)通过研究聚醚的结构与组成提高聚醚型消泡剂的抑泡性能;( 3)提高矿物油型产品的分散性、稳定性、消抑泡性能;( 4)通过对有机硅分子进行设计与改性,针对具体的行业有具体的消泡剂类型。
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