聚醚改性硅油消泡剂的复配

李春静

河北化工医药职业技术学院化学与环境工程系 （河北石家庄 050026）

泡沫问题存在于全世界数百种行业中。多数情况下，泡沫的产生会给生产带来许多麻烦与不便，需要抑制和消除。聚醚改性硅油消泡剂是近年各行业关注的热点，它不仅具有聚醚和有机硅两类消泡剂的优点，还具有逆溶解性、自乳性、生理惰性等特点。因此被广泛应用于各种场合，尤其是像纺织品高温染色、发酵等条件比较苛刻的工艺中的消泡[1]。

单纯的聚醚改性硅油消泡剂具有良好的消泡性能，但是由于此类消泡剂成本较高，严重阻碍了其在各消泡行业中的使用。向聚醚改性硅油中加入其他类消泡剂，并添加乳化剂、稳定剂等辅助成分，不仅可以降低消泡剂的成本，还可显著提高消泡、抑泡性能，减少消泡剂使用量[2]。为此，本课题对聚醚改性硅油消泡剂的复配进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

聚醚改性硅油，自制；气相白炭黑（疏水处理），工业级，广州吉必盛科技实业有限公司；Span，Tween，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；二甲基硅油（100～1000 MPa·s，25 ℃），工业级，济南瑞元化工有限公司；FJ-200 高速分散均质机，上海标本模型厂；TGL-16 离心机，常州金南仪器制造有限公司。

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缩合法，反应方程式如下：

主要步骤是：将原料含氢硅油、聚醚、溶剂以及酸催化剂按前期实验得出的最佳配比（即含氢硅油与聚醚的质量比为1∶20，催化剂用量为0.2%）加入四口烧瓶中，在搅拌条件下缓慢加热至105 ℃，使之回流，反应10 h 后，结束降温，然后加碱中和、抽滤除去催化剂，再减压蒸馏除去溶剂，即得聚醚硅油产品[3]。

1.3 聚醚改性硅油的复配

1.3.1 硅膏的制备

按配比准确称量二甲基硅油和疏水白炭黑，置于圆底烧瓶中，搅拌并缓慢升温，加热至190～200℃，恒温3～5 h 后降温至50～60 ℃，得到硅膏，然后加入聚醚改性聚硅氧烷共聚物进行复配，充分搅拌均匀后，降温出料。

1.3.2 聚醚改性硅油消泡剂的制备

首先取亲水亲油平衡值（HLB 值）不同的Span和Tween 混合，调节HLB 值在7～10，搅拌均匀后待用。取一定量上述实验制备的复配物加入四口瓶中，按比例加入配制的乳化剂，搅拌升温至60～80 ℃。缓慢加入少量的水，使乳化剂溶解后，继续搅拌恒温2 h，之后缓慢加入剩余的水，然后用均质机高速搅拌约10 min，得聚醚改性硅油消泡剂产品。

1.4 消泡剂性能测试

1.4.1 消泡效果的测定

作为消泡剂，它应该具有消泡性，即使产生的泡沫破灭；还应该具有抑泡性，即防止泡沫的产生。好的消泡剂既能快速地消灭泡沫，还能在一定时间内抑制泡沫再生，所以消泡效果的测定主要包括消泡性能与抑泡性能的测定，采用气体鼓吹法[3]。以质量分数为1%的K12溶液为起泡液，通过向发泡液中加入一定量配好的5%消泡剂溶液，来测定其消泡和抑泡时间。消泡时间越短，抑泡时间越长，说明消泡剂的性能越好。

1.4.2 水分散性和稳定性的测定

在烧杯中加入5 g 消泡剂，再加入25 g 蒸馏水，振荡摇匀，观察分散结果：若液体中无油相出现，表明消泡剂分散性为优；有细小油滴出现或有较少难分散的絮状物，表明水分散性为良；有较大较多油滴或有较多难分散的絮状物，说明水分散性一般；几乎不能分散于水中，或有较大絮状物不能消失，说明水分散性差[4]。取一定量的消泡剂在转速为3 000 r/min的高速离心机中离心15 min 观察分层情况，不分层，表明消泡剂的性能稳定[5]。

2 结果与讨论

2.1 白炭黑用量的确定

超微细二氧化硅俗称白炭黑，是SiO2的无定形结构，它可以使消泡剂快速分散在起泡液中，是一种很重要的分散剂。疏水型白炭黑降低了其与水体系的缔合度，在起泡体中单独添加，也有消泡作用。二甲基硅油表面张力低，破泡迅速，但它在水中的溶解度小、分散性差、抑泡性差，单独使用几乎无消泡效果。实验采用疏水白炭黑作为载体与二甲基硅油进行复配。

将疏水白炭黑和二甲基硅油先制成硅膏，这样可以提高二者之间的浸润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气相法白炭黑和沉淀法白炭黑。相比之下，气相法白炭黑比表面积更大，密度更小，易分散，制成的乳液也更稳定。所以，实验选用气相法白炭黑与二甲基硅油制备硅膏。在其他条件一定的前提下，改变白炭黑用量，其对硅膏性能的影响如表1 所示。

表1 白炭黑用量对硅膏性能的影响

由表1 可知，随着白炭黑用量的增加，硅膏水分散性变好。这是因为：疏水白炭黑粒径小，并且有足够大的比表面积，可以提高硅油的分散性，使硅油在发泡液中形成数量非常多且小的消泡单元；白炭黑极易吸附于气泡液膜并产生很大的力，在硅油低表面张力的作用下使气泡破裂，从而发挥协同作用，提高其消泡效果。当白炭黑质量分数大于6%时，硅膏过于黏稠，稳定性变差，容易产生分层现象。硅膏黏度大，会影响后期的乳化，所以将疏水白炭黑的用量定为硅膏总量的6%。

2.2 硅膏用量的确定

固定聚醚改性硅油共聚物的用量，改变硅膏用量，比较其配比对消泡剂性能的影响，结果见表2。

表2 硅膏用量对消泡效果的影响

由表2 可知，随着硅膏用量的增加，消泡时间减少。这是因为：加入的硅膏多，起泡液表面张力迅速减小，消泡速度升高，消泡效果变好。但当硅膏用量过多时，抑泡时间却减少。这主要是因为：随着硅膏加入量的增多，体系的黏度变大，出现团聚现象，稳定性变差，易分层，抑泡性能下降。兼顾消泡性能及稳定性，共聚物和硅膏的质量比选择10∶1.50 较适宜。实验结果同时说明，为提高聚醚改性聚硅氧烷共聚物与硅膏复配物的水分散性和稳定性，有必要加入其他表面活性剂，以进一步协调其性能的改善。

2.3 乳化剂的选择

乳化剂作为一种表面活性剂，作用是将主成分（主、副消泡剂，载体）引入体系，使其迅速展开、分散，遍及发泡介质，与尽可能多的表面接触，同时在消泡剂颗粒表面形成保护膜，防止粒子聚集，从而提高消泡效果。

复合型表面活性剂比单一表面活性剂更能提高体系稳定性，有效降低表面张力。另外，被乳化物和乳化剂结构越相近，复合物的亲合力越好[6]。因此，实验选用了结构与聚醚改性硅油相近的非离子型乳化剂Span 和Tween。根据复合乳化剂的原则，选一个HLB 值较低的作为主乳化剂，再选一个HLB 值较高的作为分散促进剂。采用乳化剂Span60，Span80 与乳化剂Tween20，Tween60，Tween80 进行复配：Span的亲油性强，HLB 值较小；Tween 的亲水性强，HLB值较大。调节复合乳化剂的HLB 值为8～10，表3 是不同复合乳化剂乳化性能对消泡剂的影响。

表3 不同复合乳化剂的乳化性能

由表3 可知，复合乳化剂Span-60 与Tween-60复配，充分发挥了协同作用，显示了最佳乳化效果，在稳定性与水分散性等方面都是较为理想的选择。所以，实验选择Span-60 和Tween-60 来制备复合乳化剂。

2.4 乳化剂用量的确定

乳化剂可使乳液稳定。在乳化剂的作用下，乳液在水中迅速扩散，使消泡剂分子均匀分布在泡沫液中，提高其消泡、抑泡性能。但是若乳液过分稳定，反而会使消泡效力下降。在保证聚醚改性硅油消泡剂活性的前提下，对乳化剂用量对消泡剂性能的影响进行了研究，结果如表4 所示。

由表4 可知：乳化剂用量小时，乳液不是很稳定，有分层现象；加大乳化剂的量后，乳液稳定性增强，消泡剂颗粒分散性变好，消泡速度变快、抑泡时间变长。但乳化剂用量太多，会使乳液过度乳化，粒径小的乳液易溶解于表面胶束中，失去作用。另外，乳液黏度增大，破乳慢，分散性降低，其消泡、抑泡效果会变差，且乳化剂是非离子表面活性剂，量大时使溶液具有起泡性，不利于消泡。所以，选择乳化剂的用量为总量的2.0%。

表4 乳化剂用量对消泡剂性能的影响

2.5 与其他消泡剂的比较

确定聚醚改性硅油消泡剂的复配参数后，将本实验自制的消泡剂（其中聚醚改性硅油与硅膏的质量比为10∶1.50，乳化剂的加入量为总质量的2.0%）与目前厂家常用的进口同类消泡剂进行比较。在相同条件下分别测定了消泡时间、抑泡时间、水分散性、稳定性等，结果如表5 所示。

表5 消泡剂的性能比较结果

由表5 可知，复配产品的消泡性、抑泡性大大优于未复配前聚醚改性硅油消泡剂和进口同类消泡剂，且其水分散性及稳定性都比较理想。测定结果表明复配消泡剂具有可观的应用前景。

3 结论

将1.5 份硅膏与10 份聚醚改性硅油共聚物进行复配，提高了消泡剂的消泡和抑泡性能；加入质量分数为2.0%的乳化剂，提高了消泡剂的水分散性和稳定性，得到了实验范围内性能最佳的消泡剂产品。将合成的复配消泡剂与厂家常用的进口同类消泡剂进行比较，结果表明该消泡剂消泡、抑泡性能优良，水溶性、稳定性良好，具有很好的开发应用前景。