聚二甲基硅氧烷消泡剂

天津科技大学本科生

毕业设计（论文）外文资料翻译

学院：材料科学与化学工程学院

专业：化学工程与工艺

姓名：***

学号：********

指导教师（签名）：

2014年3月01日

聚二甲基硅氧烷消泡剂

摘要:使用最为广泛的众多消泡剂都是以聚二甲硅氧烷油为基础的，但这些产品的基本信息几乎没有。在多数配方中，疏水强化的粒子分散在油中以增强消泡率，但这种方法涉及到的主要作用机理一直未被确定。为了解决这些问题，我们对聚二甲基硅氧烷消泡剂进行了系统的研究。通过测量其表面界面、接触角、油的扩张速率、粒径分布以及个别膜的稳定特性，并同步测量泡沫的稳定性，我们可以定量的测定聚二甲基硅氧烷消泡剂反应的重要因素。我们发现消泡剂性能的损失（泡沫寿命以60s为标准）与消泡剂粒径大小（＜6μm）的降低相一致。更重要的是我们有直接证据表明，位于油水相界面的疏水强化的粒子，可以穿过作为消泡剂粒子的通道的有机相水相界面，从而提高油的进入速率以及消泡剂的效率。关键词：工业消泡剂，聚二甲基硅氧烷油

1 引言

泡沫问题出现在各种工业生产中，例如：精馏、过滤以及发酵。而且不必要的泡沫会引起产品缺陷，例如在油漆、印刷、模塑以及粘合方面的应用。因此在广泛的工业问题和应用行业，抑泡剂和消泡剂显得十分重要，且在不同的状态和不同工作条件下有着各不相同的消泡和抑泡要求。为了满足上述各种要求，我们需要知晓消泡剂的基本工作原理。只有这样，我们才能设计出新的产品以及优化现行的产品。当前，很多消泡剂都是按照配方用PDMS配制出来的，因此我们研究消泡剂的方向是聚合油。

最近Garrett[1]提出了杰出且全面的一般消泡理论，在这个领域所有的重要作品以及发展过程都可以在论文中找到。然而，也正如Garrett在文中指出的那样，我们缺乏对PDMS实际应用的系统的研究。没有这些研究，我们不能充分的评估出相关的工业系统。因此我们的主要目的是总结聚二甲基硅氧烷消泡剂的作用机理，同时为这些机理提供必要的实验数据。特别是我们应解决聚二甲基硅氧烷消泡剂的作用机理，总结反映消泡率的一般属性特征，以及弄清楚加到油中的固体疏水粒子所起的作用；最后我们再研究消泡剂随着时间的推移效率降低的原因。

2 作用机理

尽管在某些情况下，聚二甲基硅氧烷油和疏水粒子在单独情况下仍然是效率很好的消泡剂，但二者的组合明显的表现出了最好的整体消泡效率。因此在很多的商业消泡剂和抑泡剂中，是聚二甲基硅氧烷油和疏水二氧化硅微粒子（0.1μm -10 μm）的混合。如图1所示，这种混合形成了固态油疏水球状颗粒，并处于消泡剂的反应中心。当加入到表面活性剂溶液中时，这些颗粒便分散成乳化液。随后攻击单个的液体薄膜，进而破坏掉泡沫。

图1 典型消泡粒子图示

原本针对聚二甲基硅氧烷消泡剂，有两种作用机理。第一，通过面下液体夹带使得气泡膜变薄，然后油在空气和水的相界面扩张开来[1-3]；第二，疏水消泡粒子的去湿使得膜外流动[1，4，5]；两种机理可由图2中看出。此外，由于消泡剂最初分散在表面活性剂溶液中，从图2也可以看出消泡剂球状体是有效的；对于球状体，十分关键的第一步是进入空气—水的相界面。这个进入的过程以及后来消泡剂作用的过程，都是由相同的基本原则所决定的，即所有的润湿现象以及膜的扩散和去湿。因此，正如经典的润湿现象一样，决定消泡反应的物理量是表面张力和接触角。参数和消泡剂性能的关系，为我们理解消泡反应以及发展设计准则提供了信息。

图2 两种基本的PDMS油消泡机理

3 要求

3.1进入

首先消泡球形颗粒必须进入空气—水的相界面，这种表达这一过程发生的必要条件的热力学变量叫做进入系数E o/w [6]，它与铺展系数S o/w [7]相似。这两个变量大致都由系统的界面张力决定，经典的表达式如下：

E o/w

= σwg + σow - σog （1a ）

S o/w

= σwg - σow - σog （1b ）

表面或界面张力用σij 表示，下表o 、w 、g 分别表示油、水、气。上述表达式可看出，当S o/w ≥ 0时油从空气—水的相界面上扩散开来，同时E o/w ＞ 0意味着油从水侧穿过空气—水的相界面。尽管正面进入和铺展系数是滴剂进入和铺展的必要条件，但并非是必要条件。例如，为了滴剂进入相界面并连接空气和水（公式1a ），薄的水膜把油滴从气中分离必须先行破裂。自由能垒阻止水膜的破裂，因此产生了破裂的亚稳态以及组织了滴剂的进入。同样地，铺展也受到了薄膜的限制，这种情况现今叫做伪部分润湿[8]。认识到经典进入以及铺展的限制，Bergeron 和他的同事们把薄膜的影响力和经典的进入和铺展表达式进行了合并，得到了如下的公式：

E g o/w = —

wo a h h d /)(0)(w h ∏⎰∏=∞∏ （2a ） S g o/w

= wo a h h d /)(0)(o h ∏⎰∏=∞∏

（2b ）

在公式（2a ）和（2b ）中，g 表示普遍系数；II a/w/o 表示气-水-油膜的楔裂压力等温线；II a/o/w 则表示气-油-水的楔裂压力等温线。在两个公式中，h i （i = w ，表示水或者油）。上述两个积分的值，取决于薄膜的弹力和局部与整体的差异。一般来说，普遍系数并不局限于平衡薄膜弹力。膜排水或者力不平衡的状态下决定的动态楔裂压力（II dynamic ），用来表述时间为变量的动态参数。据公式（2a ）和（2b ）可知，进入和铺展现象是由油或者水膜的厚度决定的；气—水—油膜的楔裂压力等温线的形状将决定进入方式，同时气—油—水的楔裂压力等温线决定了铺展的方式。此外，被称为初始和最终的（或平衡的）经典系数，是一般表达式的一个子集，可以通过适当选择集成限制来获得。II (h = 0)对应初始系数，II (h= ∞)和II (h = h eq )对应最终系数，h eq 为平衡铺展膜厚度[9，10]。消泡反应最重要的一点是，正的经典系数表示油的进入或者铺展，这些过程受到自由能垒的限制[8-10]。然而，在某些系统中这些影响可能相当的小；经典系数可用来预测系统第一阶段的状态。

3.2液体夹带