漫谈消泡剂
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摘要：消泡剂是某些生产过程中不可缺少的助剂。目前的消泡剂主要分为第一代消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂四类。组分结构单一、经济效益较差的低档消泡剂被多功能、高效率的复配型消泡剂取代是未来消泡剂发展的趋势。
关键词：泡沫；消泡剂；作用机理；分类
文章编号：1005－6629(2008)11－0045－03中图分类号：X79文献标识码：E
在许多生产过程中，泡沫会给生产带来许多麻烦，消灭有害的泡沫可以利用静置、减压（抽真空）、加温或加压等办法。但是当需要在短时间内，迅速而有效地消除泡沫时，就需要借助于添加消泡剂。目前消泡剂广泛应用于造纸、涂料、纺织、食品、制药及石油化工工业中，用量也在不断地增加，选择合适的消泡剂越来越受到各领域的重视。鉴于消泡剂在生活中的广泛应用，化学教师可将此作为学生课外的阅读材料，培养他们对化学学习的兴趣，增强化学与日常生产生活的联系。
1 消泡剂作用机理
1.1 泡沫与消泡剂
所谓“泡沫”就是一个不溶性气体在外力作用下进入液体之中，被液膜包围起来而形成相互隔离的非均相体系。产生泡沫时，由于液体与气体的接触表面迅速增加，体系的自由能也迅速增加。泡沫体系自由能的增量，是表面张力和表面积增量的乘积。泡沫产生的难易程度与液体体系的表面张力直接有关，表面张力越低，体系形成泡沫所需的自由能就越小，就越易生成泡沫。
泡沫的本质是不稳定的，它的破除要经过3个过程――气泡的再分布、膜厚的减薄和膜的破裂。但是一个比较稳定的泡沫体系，要经过这3个过程而达到自然消泡是需要很长的时间，因此需要使用消泡剂。目前常使用的消泡剂从组成上大致可分为三类，即有机硅型、非硅型和聚醚型。
消泡剂是以低浓度加入到起泡液体中，能控制泡沫的物质之总称。习惯上，还有破泡剂、防泡剂或抑泡剂等不同名称。消泡剂是某些生产过程中不可缺少的助剂，它不仅能除去液面上的泡沫，还可以改善过滤、脱水、洗涤和各种浆体的排液效果，确保各类容器的处理容量，提高工业装置的生产效率。
1.2 消泡机理
消泡剂是以微粒的形式渗入到泡沫的体系中，当泡沫要产生时，存在于体系中的消泡剂微粒能迅速破坏气泡的弹性膜，抑制泡沫的产生。如果泡沫已经产生，添加的消泡剂接触泡沫后，即捕获泡沫表面的憎水链端，经迅速铺展，形成很薄的双膜层，进一步扩散，层状侵入，取代原泡沫的膜壁。消泡剂本身的表面张力很低，能使含有消泡剂部分的泡膜的膜壁逐渐变薄，而被周围表面张力大的膜层强力牵引，整个气泡就会产生应力的不平衡，从而导致气泡的破裂。
消泡剂必须是易于在溶液表面铺展的液体，消泡剂进入泡沫的双分子定向膜，破坏定向膜的力学平衡而起到破泡的效果。消泡剂在溶液表面铺展越快，则使液膜变得越薄，迅速达到临界厚度，泡沫破坏加快，消泡作用加强。性能优秀的消泡剂必须兼有消泡和抑泡作用，它不仅能使泡沫迅速破灭，而且能在相当长的时间内防止泡沫的生成。
2消泡剂的分类
由于起泡体系和生产条件不同，使用的消泡剂亦不尽相同。同一种产品在生产过程的不同阶段可能需使用不同的消泡剂。为满足各种需要，应生产品种多样、性质各异的消泡剂。消泡剂在其物理及化学性质方面应符合以下条件：消泡剂对起泡体系有高效的消泡作用，比起泡介质有更低的表面张力，不溶于起泡介质，且不受起泡体系增容作用和降解作用的影响。消泡剂对起泡体系是惰性的，不起化学反应，对最终产物无副作用，也不影响产品性能和外观。另外，还需满足生产过程特殊条件，如pH和温度的要求等。消泡剂还应具有使用时操作方便、易处理、自身有较好的贮存稳定性。
自从德国实验物理学家Quincke首先提出用化学方法来消泡，到目前为止消泡剂已经历了四次更新换代。
2.1第一代消泡剂
第一代消泡剂为矿物油、脂肪酸及脂肪酸酯、脂肪酰胺、低级醇类等有机物。有机类消泡剂价格低廉，目前市场上仍在大量使用。它适合于在液体剪切力较小，所含表面活性剂发泡能力较温和的条件下使用，但对致密型泡沫的消除能力较差。由于有机消泡剂的应用领域具有特殊性，因此它在应用上有较大的局限性。但是有些特殊的行业：如强酸、强碱等，就需要像聚四氟乙烯这类耐酸碱的有机消泡剂。近年来，出于对环境保护的重视，天然油脂类消泡剂的地位又有了提高。与硅氧烷类消泡剂相比的有机消泡剂生产成本低，从这个意义上讲有机消泡剂是有市场竞争力的。
2.2 聚醚类消泡剂
第二代消泡剂是聚醚类消泡剂。聚醚是分子量较低的聚氧乙烯与聚氧丙烯的嵌段共聚物，它是一种性能优良的水溶性非离子表面活性剂。与水接触时，醚键中的氧原子能够与水中的氢原子以微弱的化学力结合，形成氢键。此时，分子的链节成为曲折形，疏水基团置于分子内侧，链周围变得容易与水结合。当温度升高，分子运动较为剧烈时，分子链变为锯齿状，失去了与水的结合性，由低温溶解状态升温至呈现混浊状态时的温度就是聚醚的浊点。只有当发泡体系的温度超过浊点温度时，聚醚消泡剂才容易发挥消泡作用。在制备过程中，通过调节聚氧乙烯、聚氧丙烯的分子量及比值，可以改变其浊点，从而可适用于不同场合的需用。
聚醚型消泡剂是消泡剂产品中最重要的品种之一，具有无毒、无味、无刺激、易在水中分散等特点。它除可应用于一般工业外，还可用于食品、发酵、化妆品和医药等行业，是含硅消泡剂所无法取代的。聚醚消泡剂自1954年首先由美国Wyandott公司投产后得到迅速发展，特别是在20世纪60年代，随着聚醚工业的迅速发展，聚醚类消泡剂发展更为迅速。我国在1967年研制成功并投入生产聚醚类消泡剂，它主要有直链聚醚和由醇、氨为起始剂的聚醚，如聚氧乙烯、聚氧丙烯等或端基酯化的聚醚衍生物。
2.3 有机硅类消泡剂
有机硅类消泡剂是目前染整、食品、发酵、造纸、化工生产、粘合剂、胶乳、油等行业中使用较广泛的一类消泡剂。我国从20世纪70年代开始研制和使用有机硅消泡剂，近年来，取得了较好的效果。但从整体上来看，档次较低,品种亦较简单，与国外相比尚有较大差距。目前一些引进装置上用的高效有机硅消泡剂还主要依赖进口。
有机硅消泡剂由于其应用场合的广泛性，其国内外商品型号不下几十种，一般为聚二甲基硅氧烷，某些场合也需要乙基、羟基、苯基等硅氧烷。二甲基硅油属于MDnM型的线型聚甲基硅氧烷，分子中含易绕曲的“之”字形链，这样的分子结构决定了它有以下特性：①表面张力低：聚二甲基硅氧烷的表面张力比水、表面活性剂水溶液及一般油类都要低，因而很适宜作消泡剂。②在水及一般油中的溶解度低且活性高：聚硅氧烷分子结构特殊，主链为硅氧键，为非极性分子，与极性溶剂水不亲和，与一般油品亲和性也很小。③挥发性低并具有化学惰性：二甲基硅油挥发性极低，而且还有低的表面张力，二者结合，使消泡剂可以在广泛的温度里起消泡作用。④无生理毒性：一般用作消泡剂的二甲基硅油的聚合度较高，脱除了低聚物的二甲基硅油无生理毒性。
2.4 聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂
第四代消泡剂是聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂，它是在聚硅氧烷链段上通过改性引入聚醚链段。在硅醚共聚物的分子中，硅氧烷链段有亲油性，聚醚链段有亲水性。聚醚链段中聚环氧乙烷链节能提供亲水性和起泡性，聚环氧丙烷链节能提供疏水性和渗透力。聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂不仅具有聚硅氧烷类消泡剂的消泡效力强、表面张力低、挥发性低、无毒、无污染、生理惰性等特点，而且还具有聚醚类消泡剂的耐高温、耐强碱性等特性。
聚醚改性有机硅消泡剂是将两者的优点有机结合起来的一种新型高效消泡剂，除此之外还具有许多优异的特性：①消泡效力强――既有聚硅氧烷所固有的低表面张力、高活性的特点，又具有聚醚在水中易分散的优点。②逆溶解性――聚醚改性聚硅氧烷在低温下，聚醚链与水形成氢键可携带着聚硅氧烷链均匀地扩散分布到水中，类似于溶解状态；而在温度升高时，随着氢键的破坏，聚醚链亲水性变差，直到浊点时，失去了亲水性，使整个聚硅氧烷聚醚链成为不溶解状态时，才发挥消泡作用。聚硅氧烷聚醚型共聚物具有低温溶解和高温不溶解性，有力地提高了聚硅氧烷应用性能。③自乳性：聚硅氧烷聚醚型共聚物在适宜的温度下，将其加入水中会自发地形成聚硅氧烷链段卷曲在内部、聚醚段伸展在外部的分散状态，在水中形成胶团，使聚硅氧烷聚醚型消泡剂能在起泡液中均匀分散，有助于充分发挥消泡作用。④稳定性：各类聚硅氧烷聚醚型消泡剂的热稳定性都比较好，在有效期内，均可用于沸腾状态的水体系，甚至可用于高温130℃的起泡水体系。⑤无毒：聚硅氧烷聚醚消泡剂允许作为间接食品添加剂添加到食品的包装纸中。近年来这一类型的消泡剂发展很快，已经衍生成一系列产品，与聚醚型消泡剂、聚硅氧烷型消泡剂，形成鼎立的三大合成消泡剂。
由于聚醚改性硅油消泡剂具有无毒、无害、高效、多能及生理惰性等特性，已越来越受到厂家的青睐，聚醚改性硅油消泡剂国外已有生产，目前，此产品在国内正处于研制阶段。它能迅速溶于水中，可单独使用，也可与其他处理剂配合使用；稳定性好，不发生破乳漂油现象，也无沉淀物产生；对非水体系同样也有效。聚醚改性硅油消泡剂是有机硅中最理想的新品种，有很好的发展前景。
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