李春靜

河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系 （河北石家莊 050026）

泡沫問題存在于全世界數(shù)百種行業(yè)中。多數(shù)情況下，泡沫的產(chǎn)生會給生產(chǎn)帶來許多麻煩與不便，需要抑制和消除。聚醚改性硅油消泡劑是近年各行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，它不僅具有聚醚和有機(jī)硅兩類消泡劑的優(yōu)點(diǎn)，還具有逆溶解性、自乳性、生理惰性等特點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用于各種場合，尤其是像紡織品高溫染色、發(fā)酵等條件比較苛刻的工藝中的消泡[1]。

單純的聚醚改性硅油消泡劑具有良好的消泡性能，但是由于此類消泡劑成本較高，嚴(yán)重阻礙了其在各消泡行業(yè)中的使用。向聚醚改性硅油中加入其他類消泡劑，并添加乳化劑、穩(wěn)定劑等輔助成分，不僅可以降低消泡劑的成本，還可顯著提高消泡、抑泡性能，減少消泡劑使用量[2]。為此，本課題對聚醚改性硅油消泡劑的復(fù)配進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

聚醚改性硅油，自制；氣相白炭黑（疏水處理），工業(yè)級，廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司；Span，Tween，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二甲基硅油（100～1000 MPa·s，25 ℃），工業(yè)級，濟(jì)南瑞元化工有限公司；FJ-200 高速分散均質(zhì)機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；TGL-16 離心機(jī)，常州金南儀器制造有限公司。

1.2 聚醚改性硅油的合成

聚醚改性硅油共聚物的合成采用縮合法，反應(yīng)方程式如下：

主要步驟是：將原料含氫硅油、聚醚、溶劑以及酸催化劑按前期實(shí)驗(yàn)得出的最佳配比（即含氫硅油與聚醚的質(zhì)量比為1∶20，催化劑用量為0.2%）加入四口燒瓶中，在攪拌條件下緩慢加熱至105 ℃，使之回流，反應(yīng)10 h 后，結(jié)束降溫，然后加堿中和、抽濾除去催化劑，再減壓蒸餾除去溶劑，即得聚醚硅油產(chǎn)品[3]。

1.3 聚醚改性硅油的復(fù)配

1.3.1 硅膏的制備

按配比準(zhǔn)確稱量二甲基硅油和疏水白炭黑，置于圓底燒瓶中，攪拌并緩慢升溫，加熱至190～200℃，恒溫3～5 h 后降溫至50～60 ℃，得到硅膏，然后加入聚醚改性聚硅氧烷共聚物進(jìn)行復(fù)配，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，降溫出料?/p>

1.3.2 聚醚改性硅油消泡劑的制備

首先取親水親油平衡值（HLB 值）不同的Span和Tween 混合，調(diào)節(jié)HLB 值在7～10，攪拌均勻后待用。取一定量上述實(shí)驗(yàn)制備的復(fù)配物加入四口瓶中，按比例加入配制的乳化劑，攪拌升溫至60～80 ℃。緩慢加入少量的水，使乳化劑溶解后，繼續(xù)攪拌恒溫2 h，之后緩慢加入剩余的水，然后用均質(zhì)機(jī)高速攪拌約10 min，得聚醚改性硅油消泡劑產(chǎn)品。

1.4 消泡劑性能測試

1.4.1 消泡效果的測定

作為消泡劑，它應(yīng)該具有消泡性，即使產(chǎn)生的泡沫破滅；還應(yīng)該具有抑泡性，即防止泡沫的產(chǎn)生。好的消泡劑既能快速地消滅泡沫，還能在一定時間內(nèi)抑制泡沫再生，所以消泡效果的測定主要包括消泡性能與抑泡性能的測定，采用氣體鼓吹法[3]。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的K12溶液為起泡液，通過向發(fā)泡液中加入一定量配好的5%消泡劑溶液，來測定其消泡和抑泡時間。消泡時間越短，抑泡時間越長，說明消泡劑的性能越好。

1.4.2 水分散性和穩(wěn)定性的測定

在燒杯中加入5 g 消泡劑，再加入25 g 蒸餾水，振蕩搖勻，觀察分散結(jié)果：若液體中無油相出現(xiàn)，表明消泡劑分散性為優(yōu)；有細(xì)小油滴出現(xiàn)或有較少難分散的絮狀物，表明水分散性為良；有較大較多油滴或有較多難分散的絮狀物，說明水分散性一般；幾乎不能分散于水中，或有較大絮狀物不能消失，說明水分散性差[4]。取一定量的消泡劑在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的高速離心機(jī)中離心15 min 觀察分層情況，不分層，表明消泡劑的性能穩(wěn)定[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 白炭黑用量的確定

超微細(xì)二氧化硅俗稱白炭黑，是SiO2的無定形結(jié)構(gòu)，它可以使消泡劑快速分散在起泡液中，是一種很重要的分散劑。疏水型白炭黑降低了其與水體系的締合度，在起泡體中單獨(dú)添加，也有消泡作用。二甲基硅油表面張力低，破泡迅速，但它在水中的溶解度小、分散性差、抑泡性差，單獨(dú)使用幾乎無消泡效果。實(shí)驗(yàn)采用疏水白炭黑作為載體與二甲基硅油進(jìn)行復(fù)配。

將疏水白炭黑和二甲基硅油先制成硅膏，這樣可以提高二者之間的浸潤性及白炭黑在二甲基硅油中的分散性[6-7]。用于硅膏的白炭黑有氣相法白炭黑和沉淀法白炭黑。相比之下，氣相法白炭黑比表面積更大，密度更小，易分散，制成的乳液也更穩(wěn)定。所以，實(shí)驗(yàn)選用氣相法白炭黑與二甲基硅油制備硅膏。在其他條件一定的前提下，改變白炭黑用量，其對硅膏性能的影響如表1 所示。

表1 白炭黑用量對硅膏性能的影響

由表1 可知，隨著白炭黑用量的增加，硅膏水分散性變好。這是因?yàn)椋菏杷滋亢诹叫。⑶矣凶銐虼蟮谋缺砻娣e，可以提高硅油的分散性，使硅油在發(fā)泡液中形成數(shù)量非常多且小的消泡單元；白炭黑極易吸附于氣泡液膜并產(chǎn)生很大的力，在硅油低表面張力的作用下使氣泡破裂，從而發(fā)揮協(xié)同作用，提高其消泡效果。當(dāng)白炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時，硅膏過于黏稠，穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象。硅膏黏度大，會影響后期的乳化，所以將疏水白炭黑的用量定為硅膏總量的6%。

2.2 硅膏用量的確定

固定聚醚改性硅油共聚物的用量，改變硅膏用量，比較其配比對消泡劑性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 硅膏用量對消泡效果的影響

由表2 可知，隨著硅膏用量的增加，消泡時間減少。這是因?yàn)椋杭尤氲墓韪喽?，起泡液表面張力迅速減小，消泡速度升高，消泡效果變好。但當(dāng)硅膏用量過多時，抑泡時間卻減少。這主要是因?yàn)椋弘S著硅膏加入量的增多，體系的黏度變大，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，穩(wěn)定性變差，易分層，抑泡性能下降。兼顧消泡性能及穩(wěn)定性，共聚物和硅膏的質(zhì)量比選擇10∶1.50 較適宜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時說明，為提高聚醚改性聚硅氧烷共聚物與硅膏復(fù)配物的水分散性和穩(wěn)定性，有必要加入其他表面活性劑，以進(jìn)一步協(xié)調(diào)其性能的改善。

2.3 乳化劑的選擇

乳化劑作為一種表面活性劑，作用是將主成分（主、副消泡劑，載體）引入體系，使其迅速展開、分散，遍及發(fā)泡介質(zhì)，與盡可能多的表面接觸，同時在消泡劑顆粒表面形成保護(hù)膜，防止粒子聚集，從而提高消泡效果。

復(fù)合型表面活性劑比單一表面活性劑更能提高體系穩(wěn)定性，有效降低表面張力。另外，被乳化物和乳化劑結(jié)構(gòu)越相近，復(fù)合物的親合力越好[6]。因此，實(shí)驗(yàn)選用了結(jié)構(gòu)與聚醚改性硅油相近的非離子型乳化劑Span 和Tween。根據(jù)復(fù)合乳化劑的原則，選一個HLB 值較低的作為主乳化劑，再選一個HLB 值較高的作為分散促進(jìn)劑。采用乳化劑Span60，Span80 與乳化劑Tween20，Tween60，Tween80 進(jìn)行復(fù)配：Span的親油性強(qiáng)，HLB 值較小；Tween 的親水性強(qiáng)，HLB值較大。調(diào)節(jié)復(fù)合乳化劑的HLB 值為8～10，表3 是不同復(fù)合乳化劑乳化性能對消泡劑的影響。

表3 不同復(fù)合乳化劑的乳化性能

由表3 可知，復(fù)合乳化劑Span-60 與Tween-60復(fù)配，充分發(fā)揮了協(xié)同作用，顯示了最佳乳化效果，在穩(wěn)定性與水分散性等方面都是較為理想的選擇。所以，實(shí)驗(yàn)選擇Span-60 和Tween-60 來制備復(fù)合乳化劑。

2.4 乳化劑用量的確定

乳化劑可使乳液穩(wěn)定。在乳化劑的作用下，乳液在水中迅速擴(kuò)散，使消泡劑分子均勻分布在泡沫液中，提高其消泡、抑泡性能。但是若乳液過分穩(wěn)定，反而會使消泡效力下降。在保證聚醚改性硅油消泡劑活性的前提下，對乳化劑用量對消泡劑性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如表4 所示。

由表4 可知：乳化劑用量小時，乳液不是很穩(wěn)定，有分層現(xiàn)象；加大乳化劑的量后，乳液穩(wěn)定性增強(qiáng)，消泡劑顆粒分散性變好，消泡速度變快、抑泡時間變長。但乳化劑用量太多，會使乳液過度乳化，粒徑小的乳液易溶解于表面膠束中，失去作用。另外，乳液黏度增大，破乳慢，分散性降低，其消泡、抑泡效果會變差，且乳化劑是非離子表面活性劑，量大時使溶液具有起泡性，不利于消泡。所以，選擇乳化劑的用量為總量的2.0%。

表4 乳化劑用量對消泡劑性能的影響

2.5 與其他消泡劑的比較

確定聚醚改性硅油消泡劑的復(fù)配參數(shù)后，將本實(shí)驗(yàn)自制的消泡劑（其中聚醚改性硅油與硅膏的質(zhì)量比為10∶1.50，乳化劑的加入量為總質(zhì)量的2.0%）與目前廠家常用的進(jìn)口同類消泡劑進(jìn)行比較。在相同條件下分別測定了消泡時間、抑泡時間、水分散性、穩(wěn)定性等，結(jié)果如表5 所示。

表5 消泡劑的性能比較結(jié)果

由表5 可知，復(fù)配產(chǎn)品的消泡性、抑泡性大大優(yōu)于未復(fù)配前聚醚改性硅油消泡劑和進(jìn)口同類消泡劑，且其水分散性及穩(wěn)定性都比較理想。測定結(jié)果表明復(fù)配消泡劑具有可觀的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

將1.5 份硅膏與10 份聚醚改性硅油共聚物進(jìn)行復(fù)配，提高了消泡劑的消泡和抑泡性能；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的乳化劑，提高了消泡劑的水分散性和穩(wěn)定性，得到了實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)性能最佳的消泡劑產(chǎn)品。將合成的復(fù)配消泡劑與廠家常用的進(jìn)口同類消泡劑進(jìn)行比較，結(jié)果表明該消泡劑消泡、抑泡性能優(yōu)良，水溶性、穩(wěn)定性良好，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。