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有机硅消泡剂作用原理、析出漂油的原因

来源: Homelander Defoamer 浏览 88 次 发布时间:2024-07-02

在有机硅消泡剂使用的过程中,我们经常发现,在消泡的过程中,水面常常有油状可以漂浮在表面。有的漂浮物比较小,比如针尖般大小,有的比较大,如绿豆般大小。


水面上漂浮的油状物质其实就是水性消泡剂的有效成分—聚甲基硅氧烷。聚甲基硅氧烷有极其丰富的接枝改性种类。比如苯基改、氨基改、聚醚改等等。当有效成分漂浮在水面且汇聚成较大絮状物时就失去了消泡抑泡作用。


我们来看看有机硅消泡剂的作用原理。有机硅消泡剂利用与起泡液的不相容性,分散在气泡液中的微小颗粒(500nm~50um)进入泡沫膜或者依附在泡沫膜上,利用表面张力差产生的伸展,撕扯力来加速排液过程,进而刺破泡沫。

表面张力是液体表面的一种特性,表现为液体表面层由于分子间相互吸引而产生的使液体表面积缩小的力。有机硅消泡剂通过降低液体的表面张力,破坏泡沫的稳定结构,从而达到消除泡沫的目的。其表面张力特性主要取决于分子结构中的硅氧键和有机基团。


硅氧键是一种强共价键,使得有机硅分子具有较高的稳定性和热稳定性。同时,有机基团赋予了有机硅分子良好的溶解性和分散性,使其能够迅速分散在液体中,与泡沫接触并发挥消泡作用。


所以有机硅消泡剂的有效成分其实是这样的一种物质:一种与起泡液(含有表活的水溶液)不溶的,且能产生局部表面张力差的物质。不溶性是有机硅消泡剂发挥消泡作用的基础,但会给起泡液带来浑浊的影响,浑浊带来的影响在某些领域是不可接受的。局部性是指气泡膜刚刚生成的厚度(500nm~2um),太大的颗粒是进不到膜的内部的,比如直接在泡沫上洒硅油,这样的消泡效率是极其低的。太小又会降低消泡速率。表面张力差是指与水有着较大表面张力差的物质。差值越大,所产生的铺展撕扯力越大,消泡效率越高。


上述这三个因素是有机硅消泡剂作用的机理。我们发现,一种添加剂竟然要求与被添加液不相容,这就带来了一系列麻烦。分散液浑浊是个麻烦,而且在较短的时间内还会造成有效成分的析出。在一定范围内,相容性较差的反而消泡速度会提高,但会造成浑浊和提前析出,相溶性较好又会导致消泡力的下降。所以相溶性和消泡速率的平衡是一个很棘手的问题。


普通的有机硅消泡剂的制作过程是这样的。利用乳化分散剂将与水不溶的硅脂分散为直径为2um~30um的颗粒,颗粒的外部被乳化剂包裹着在水中呈分散状态,这样的液体我们称之为乳液。乳液为热力学不稳定体系,它需要大量的乳化分散剂和高黏度体系来支撑它的稳定性。


当这一种乳液滴加到另一种环境中,这样的环境没有大量的乳化剂,没有高粘度体系的支撑,微粒表面的乳化剂会慢慢从硅脂油粒表面脱落,油粒会在液体中做无规则碰撞,也会撞掉大量乳化剂。当表面乳化剂被全部冲刷撞掉,两个硅脂油粒会在下一次的碰撞结合在一起。这样的碰撞几率在平稳的液面较小,但在较为湍急的液面较大,会较为快的聚集为较大的絮状物。


由此看来,乳液微粒表面的乳化剂较为松散是造成聚集的主要因素。但是在市面上很难找到一种能一直吸附在油粒表面且不易脱落的乳化剂。


所以为了使得有效成分尽量不发生集聚,我们希望起泡液也是乳液体系,或者含有较高的表面活性剂的黏度稍高的液体。


有一种乳液比常规乳化剂的乳液稳定性更强,它使用的是固体乳化剂,即利用两亲性固体微粒(如,二氧化硅)嵌入到油粒表面,极难从表面脱落,称之为Pickering乳液。


乳化剂既然很容易脱落,那么可以用化学键的方式,把乳化剂接枝在硅脂上,这样即使析出,在没有外加乳化剂和剪切力的情况下也能将析出的硅脂分散到体系中。这对亲水基与亲油基分子量的把控极其重要。若亲水基太大,形成水包油的颗粒太小,虽然不析出。但是太小的微粒排液时间久,消泡速度就很慢。

若亲水基分子量太小,又起不到分散作用,还是会聚集到一起,导致消泡力的下降。这就需要合成消泡剂的技术人员熟悉起泡液的体系来较为精确控制改性硅油的结构和分子量。

有机硅消泡剂种类很多。很难从市场上挑选到一款价格合适又与体系相溶性很好且消泡效率较高的消泡剂。有些是能接受消泡剂的析出漂油,即利用网兜把析出物捞出来,再继续加入新的消泡剂,这些领域一般对颜色改变也不敏感,价格也会较低,常常作为污水的水处理剂。有些是不能接受消泡剂的析出漂油,其硅脂分子结构也是经过亲水处理,常常作为成品的添加剂来使用,但价格也会较高。


总结:


普通硅脂制作的消泡剂是无法避免漂油析出问题的,但这也无法阻止它有着较高的市场份额,因为价格便宜,消泡效率极高,抑泡能力也极强。体系相溶性好的情况下,在平静液面不会析出漂油,在强烈的鼓泡环境下在几分钟内会保持稳定不析出。