消泡劑概述

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泡沫

　　在工業生產過程中，只要涉及到攪拌的都會存在泡沫的問題，如制漿造紙、紡織印染、涂料加工、污水處理、生物發酵、石油開采與精煉、建筑工業、粘合劑等等。這些工業過程中的泡沫可能會造成很多問題，如生產能力減小、原料浪費、反應周期延長；產品質量下降等等。

　　由此可見，有害泡沫的控制和消除具有極大的技術與經濟意義。

　　泡沫是有大量氣泡分散于液體中的一種分散體系，其分散相為氣體，連續相為液體。由于氣泡的相對密度小于液體的，液體中的氣泡會上升到液面，形成了以少量液體構成的液膜隔開的氣泡聚集物，亦即泡沫。

　　泡沫是一種熱力學不穩定體系，影響其穩定性的因素有液體的表面張力、界面膜的性質、表面張力的修復作用、表面電荷、泡沫氣體的擴散以及添加的表面活性劑的結構等。

消泡劑

　　顧名思義是消除泡沫的一種助劑。工業過程中的泡沫消除基本依靠消泡劑。

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消泡機理

　　溶液體系中加有表面活性劑時，在氣泡表面吸附著定向排列的一層表面活性劑分子，當其達到一定濃度時，氣泡壁就形成了一層堅固的薄膜。表面活性劑吸附在氣液界面上，造成液面表面張力下降，從而增加了氣液接觸面，這樣氣泡就不易合并。當氣泡上升透過液面時，把液面上的一層表面活性劑分子吸附上去。因此，暴露在空氣中的吸附有表面活性劑的氣泡膜同溶液里的氣泡膜不一樣，它包有兩層表面活性劑分子，形成雙分子膜，被吸附的表面活性劑對液膜具有保護作用。

　　消泡劑的作用就在于破壞和抑制上述液膜的形成。消泡劑的表面張力較低，易在溶液表面鋪展，進入氣泡液膜后，頂替原來液膜表面上的表面活性分子，使接觸處的表面張力降低得比液膜其他處的更低。由于泡沫液膜的表面張力高，將產生收縮力，使表面張力低的液膜被四周牽引、延展，形成強度較差的膜，慢慢地變薄，不能產生有效的彈性收縮力而失去自我修復作用，其黏度也大大降低，泡沫液膜的排液速度和氣體的擴散速度加快，泡沫的壽命變短，最后破裂得以消除。

　　總之，加入消泡劑可使溶液體系中泡沫液膜的表面張力升高，失去自我修復作用，黏度降低，最終導致該液膜的力學平衡受到破壞而使泡沫破裂，達到消泡的目的。

　　一種好的消泡劑同時兼具消泡、抑泡作用，即應該迅速使泡沫破壞，而且能在相當長的時間內防止泡沫生成。常常發現有些消泡劑在加入溶液一定時間后，就喪失了效力，要防止泡沫生成，還需再加入一些消泡劑。發生此種情況的原因，可能與溶液中起泡劑(表面活性劑)的臨界膠束濃度cmc是否超過有關。在超過該濃度的溶液中，消泡劑(一般為有機液體)有可能被增溶，以致于失去在表面鋪展的作用，消泡效力大減。開始加入消泡劑時，其在表面鋪展速度大于增溶速度，表現出較好的消泡效果；經過一段時間后，隨著消泡劑被逐步增溶，消泡效果相應減弱。

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消泡劑種類

（1）第一代消泡劑

　　第一代消泡劑為礦物油、脂肪酸及脂肪酸酯、脂肪酰胺、低級醇類等有機物。

　　礦物油如火油、松節油、液體石蠟等。可用于印花色漿、造紙等行業。

　　脂肪酸及脂肪酸酯類如牛油、豬油、豆油、蓖麻油、硬脂酸乙二醇酯、失水山梨醇單月桂酸酯等。此類消泡劑可用于造紙、紙漿、染色、建筑涂料、發酵等。

　　醇類如椰子醇、己醇、環己醇。可用于制糖、發酵石油精制等。

　　酰胺類如二硬脂酰乙二胺、二棕櫚酰乙二胺等。

　　有機類消泡劑價格低廉，目前市場上仍在大量使用。它適合于在液體剪切力較小，所含表面活性劑發泡能力較溫和的條件下使用，但對致密型泡沫的消除能力較差。由于有機消泡劑的應用領域具有多樣性與特殊性，它往往具有專用性，市場份額已不斷萎縮，因此在應用上有局限性。但是有些特殊的行業如強酸、強堿等就需要像聚四氟乙烯這類耐酸堿的有機消泡劑。近年來，出于對環境保護的重視，天然油脂類消泡劑的地位又有了提高。

（2）聚醚類消泡劑

　　第二代消泡劑是聚醚類消泡劑。

　　聚醚是分子量較低的聚氧乙烯-聚氧丙烯的嵌段共聚物。它是一種性能優良的水溶性非離子表面活性劑，與水接觸時，醚鍵中的氧原子能夠與水中的氫原子以微弱的化學力結合，形成氫鍵，分子鏈節成為曲折形，疏水集團置于分子內側，鏈周圍變得容易與水結合，當溫度升高，分子運動較為劇烈時，曲折形的鏈會變為鋸齒形，失去了與水的結合性，由低溫溶解狀態升溫到呈現混濁的溫度，這就是聚醚的濁點，只有當發泡體系的溫度超過濁點溫度時，聚醚消泡劑才發揮消泡作用。

　　在制備過程中通過調節原料氧乙烯、氧丙烯的比值及分子量，就可改變其濁點，從而適用于不同場合。聚醚消泡劑自1954年首先由美國Wyandott公司投產后已經得到迅速發展，特別是60年代，隨著聚醚工業的迅速發展，聚醚類消泡劑發展更為迅速。我國是在1967年研制成功并投入生產的。

　　聚醚型消泡劑主要有直鏈聚醚和由醇、氨為起始劑的聚醚或端基酯化的聚醚衍生物。

　　聚醚消泡劑應用范圍極廣，它是造紙行業不可缺的助劑品種，而且在日用化學、紡織、石油、食品、橡膠等許多工業中都有重要的應用。但因選擇性的關系至今有些領域仍不能使用。因此，目前必須提高國內聚醚型消泡劑的產品質量，研制出不同結構的聚醚表面活性劑。

　　聚醚消泡劑最大的優點是抑泡能力較強，是目前發酵行業應用的主導消泡劑。但它有一個致命的缺點是破泡率低，一旦產生了大量的泡沫，它不能一下有效地撲滅，而是需要新加一定量的消泡劑才能慢慢解決問題。

　　第一和第二代消泡劑在一定條件下確實具有一定的消泡作用，但這些物質的結構特征決定了它們又具有一定的發泡作用，當條件改變時，第一、二代消泡劑很可能變為發泡劑或失效。因此為了適應消泡要求和操作條件多變的情況，開發了有機硅消泡劑即第三代消泡劑。

（3）有機硅類消泡劑

　　有機硅類消泡劑是目前染整、食品、發酵、造紙、化工生產、粘合劑、膠乳、潤滑油等行業中使用較廣泛的一類消泡劑。

　　我國從20世紀70年代開始研制和使用有機硅消泡劑，近年來，取得了較好的效果。但從整體上來看，檔次較低，品種亦較簡單，與國外相比有較大差距。目前一些引進裝置上用的高效有機硅消泡劑還主要依賴進口。

　　有機硅消泡劑由于其應用場合的廣泛性，其國內外商品型號不下幾十種，一般為聚二甲基硅氧烷，某些場合也需要乙基、羥基、苯基等硅氧烷。二甲基硅油屬于MDnM型的線型聚甲基硅氧烷，分子中為易繞曲的“之”字形鏈，分子結構決定了它有以下特性：

　　表面張力低：聚二甲基硅氧烷的表面張力比水、表面活性劑水溶液及一般油類都要低，因而很適宜作消泡劑；

　　在水及一般油中的溶解度低且活性高：聚硅氧烷分子結構特殊，主鏈為硅氧鍵，為非極性分子，與極性溶劑水不親和，與一般油品親和性也很小；

　　揮發性低并具有化學惰性：二甲基硅油揮發性極低，而且還有低的表面張力，二者結合，使消泡劑可以在廣泛的溫度里起消泡作用；

　　無生理毒性：一般用作消泡劑的二甲基硅油聚合度較高。而脫除了低聚物的二甲基硅油則是無生理毒性的。

　　由于這些優點，此類消泡劑的商品品種較多，使用量也較大，已成為消泡劑中的主要品種。目前國內市售的有機硅消泡劑按物理性狀可分為油狀、溶液型、乳液型、固體型四類。

（4）聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑

　　第四代消泡劑是聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑，它是在聚硅氧烷鏈段上通過改性引入聚醚鏈段。在硅醚共聚物的分子中，硅氧烷鏈段有親油性，聚醚鏈段有親水性。聚醚鏈段中聚環氧乙烷鏈節能提供親水性和起泡性，聚環氧丙烷鏈節能提供疏水性和滲透力。

　　聚醚改性聚硅氧烷類消泡劑不僅具有聚硅氧烷類消泡劑消泡效力強、表面張力低、揮發性低、無毒、無污染、生理惰性等特點，而且還具有聚醚類消泡劑的耐高溫、耐強堿性等特性。聚醚改性有機硅消泡劑是將兩者的優點有機結合起來的一種新型高效消泡劑，除此之外還具有許多優異的特性。

　　消泡效力強：既有聚硅氧烷所固有的低表面張力、高活性的特點，又具有聚醚在水中易分散的優點。因此，不僅比常規有機硅消泡劑效力強，而且在某些場合下能夠解決常規消泡劑所不能解決的問題。

　　逆溶解性：聚醚改性聚硅氧烷在低溫下，聚醚鏈與水形成氫鍵可攜帶著聚硅氧烷鏈均勻地擴散分布到水中，類似于溶解狀態；而在溫度升高時，隨著氫鍵的破壞，聚醚鏈親水性變差，直到濁點時，失去了親水性，使整個聚硅氧烷聚醚鏈成為不溶解狀態時，才發揮消泡作用。聚硅氧烷聚醚型共聚物具有低溫溶解，高溫不溶解性，有力地提高了聚硅氧烷應用性能。

　　依據上述特性，可以很方便地根據體系所需消泡的溫度來選擇具有相應濁點的聚硅氧烷聚醚型消泡劑。此外，逆溶解性的方便之處，還可以用在低溫不溶解于水的體系中，用低于其濁點的冷水，將溶解狀態的消泡劑沖洗干凈。

　　自乳性：聚硅氧烷聚醚型共聚物在適宜的溫度下，將其加入水中會自發地形成聚硅氧烷鏈段卷曲在內部、聚醚段伸展在外部的分散狀態，在水中形成膠團。這種性質稱為“自乳性”。自乳性使聚硅氧烷聚醚型消泡劑能在起泡液中均勻分散，有助于充分發揮消泡作用。

　　穩定性：聚硅氧烷聚醚消泡劑由于具有良好的自乳性，因此在水中有很好的分散穩定性。—Si—O—C—鍵連接的共聚物易于水解，化學穩定性較差，但不影響消泡作用。—Si—C—鍵連接的共聚物則比較穩定，各類聚硅氧烷聚醚型消泡劑的熱穩定性都比較好。在有效期內，均可用于沸騰狀態的水體系，甚至可用于高溫130℃的起泡水體系。

　　無毒：聚硅氧烷聚醚消泡劑允許作為間接食品添加劑添加到食品的包裝紙中。

　　唐納德等在五十年代初，首先合成出這類共聚物，近年來這一類型的消泡劑發展很快，已經衍生成一系列產品，與聚醚型消泡劑、聚硅氧烷型消泡劑，形成鼎立的三大合成消泡劑。

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消泡劑發展趨勢

　　隨著國民經濟的迅速發展，在各種工業中要使用大量的助劑，但這樣就會產生大量的危害泡沫。為了提高生產效率，消泡劑就成為不可缺少的化學助劑。有機硅消泡劑、聚醚消泡劑和礦物油消泡劑是當今時代的消泡主體品種。如何進一步提高消泡劑的性能，降低消泡劑產品的用量成了科研工作者的重要任務。針對這3種類型的消泡劑應該主要發展趨勢如下：

(1)有機硅消泡劑在不同的行業中有著不同的側重點，提高有機硅消泡劑的品質是至關重要的，其品質主要包括抑泡性能、消泡性能、穩定性、相容性、抗剪切性能等等；

(2)通過研究聚醚的結構與組成提高聚醚型消泡劑的抑泡性能；

(3)提高礦物油型產品的分散性、穩定性、消抑泡性能；

(4)通過對有機硅分子進行設計與改性，針對具體的行業有具體的消泡劑類型。