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消泡剂的作用机理

来源: 时间:2021-09-13 16:16:22 浏览次数:

要想弄清楚消泡剂在发泡介质中的作用是如何发挥作用,并使其更合理、有效地使用,就必须熟悉其作用机理和一般性质。
要想弄清楚消泡剂在发泡介质中的作用是如何发挥作用,并使其更合理、有效地使用,就必须熟悉其作用机理和一般性质。
泡沫系统在剧烈发泡时,加入消泡剂,使泡沫迅速消失。事实上,消泡剂的作用是抵消助泡物质的稳定泡沫。泡沫塑料原本是极不稳定的,就像水在搅动时,也会形成泡沫,但一旦停止搅拌,泡沫即消失。若在水中加入助泡物质,由于助泡物的稳泡作用,泡沫破灭困难。因此即使是会起泡的纯表面活性剂,由于没有助泡物,也不会形成稳定的泡沫。以下介绍了消泡剂的消泡机理。
一九四一年,有人提出了扩展系数 S的概念,即: S=γ m-γ int-γ a---公式(1)
公式(1):γm-发泡介质的表面张力 N/m;γint-消泡剂与发泡介质的表面张力 N/m;γ a-消泡剂的表面张力。
当扩张系数 S为正值时,消泡剂可以在泡膜表面扩散,而负扩散困难。即 S值越大,消泡剂就越容易
通过泡膜扩散。可以看出,消泡剂的表面张力越小,其 S值越大,在泡膜表面扩散越快,消泡效果也越好。1948年又有人提出浸没系数 E的概念,即 E=γ m+γ int-γ- a (2)
同理,正、负渗透系数 E值也可以判断消泡剂能否进入泡膜表面。消泡剂的表面张力越小,效果也越好。注1 (1)和(2)式是不同的,这里的符号在γ值之前是不同的,式(1)是负,式(2)正。美国胶体化学家 Ross,对不同表面活性剂加入起泡系统进行了实验和观察,寻找消泡剂的溶解性与消泡效果之间的对应关系。他在已有实验的基础上提出了一个假设:溶液中溶解状态的溶质为稳泡剂;不溶解状态的溶质,在式(1)、(2)中的扩展系数和浸润系数均为正时,即为消泡剂。无法溶解的溶质可以聚集成分子团。
由于 S<0 E<0 s="">0 E>0 E>0 E>0 E>0 E>0先浸入; S>0在泡膜上扩展;然后泡膜局部变薄破裂.气泡合并或破裂。在浸入系数 S和扩展系数 E均为负的情况下,小滴既无浸入也无扩展;当浸入系数 E为正,扩展系数 S为负时,小滴浸入为棱镜状,但不扩展;两者均为正时,才有可能成为消泡剂。
S<0 e=">0的假设为消泡剂作用机制的建立奠定了基础,很快被广泛传播并广泛推广应用。但日本专家佐佐木恒孝指出:罗斯假说不够全面。由于消泡作用有两种类型:抑泡型和破泡型。当消泡剂小滴推开泡膜面的表面活性断裂剂、置换成不稳定膜时,并不一定如 Rose所言将泡膜完全推开。所以,消泡的机理还有待进一步研究。大部分消泡剂为非溶解性,而可溶性添加剂扩展系数、浸入系数与消泡效果的关系最大。然而,有一部分消泡是在溶解状态下进行的。这就是说,消泡剂也不是绝对不可溶的物质。
稳泡剂的消泡机理研究
随著对稳泡因数的不断了解,人们对其机理的认识也在不断深入。不同类型的消泡因子有不同,其消泡机理也有不同。
  
1)能使泡沫局部的表面张力降低而引起气泡破裂。
有的人用油体系研究了聚硅氧烷的消泡过程,用1/1000秒连续拍一张照片,照片放大100倍,在连续拍摄的4张示意图可见,硅油消泡剂小滴落到泡膜上,使泡膜表面破裂并合并成大泡,从1~3张,泡沫由4滴合并成1大泡,泡膜变薄。最终气液快速分离,消除大泡,至4个破泡结束。这个客观地解释了为什么一滴消泡剂落下,气泡破裂的起因。
如果消泡剂附着在泡膜上时浸入泡膜液,则显著地降低了表面张力。由于在水体系中,消泡剂的有效成分对水的溶解度很小,其表面张力的降低仅局限于泡膜的局部,而泡膜周围的张力几乎没有变化。表面张力下降的部分,被强烈地向四周拉拉,延伸,最终导致泡沫破裂。
2)消泡剂会破坏膜的弹性而导致气泡破裂
泡沫表面对表面活性剂的吸附,使表面张力下降。因此当局部受压时,泡膜在局部变薄时,也会由于表面活性剂变稀而引起表面张力升高。正因为新生表面和原表面之间存在表面张力差,使得泡膜在外界冲击下变薄,产生弹性回复力,使泡膜得以不破,起到稳泡作用。若我们试图破坏这一弹性,则会破坏其稳定性。有人认为:消泡剂的作用就是破坏泡膜的弹性。在泡沫体系中加入消泡剂后,消泡剂向气液界面扩散,使具有稳泡作用的表面活性剂难以恢复膜弹性。
  
3)消泡剂促使液膜排出导致气泡破裂
消泡剂是通过加入能消泡加速泡膜排液的物质。若泡膜厚,排液时间长至30~40 nm,泡膜的自愈性更强,泡膜弹性好,因此泡膜厚度的泡沫寿命也就长,泡膜排液速率可以反映泡沫的稳定性。液体薄膜排液速度快,使得液膜变薄,泡沫在一定程度上破裂。
4)疏水性固体颗粒消泡剂机理研究
疏水二氧化硅(疏水白炭黑)颗粒单独加入,即具有消泡作用。在气泡表面,疏水的白炭黑颗粒会吸引表面活性剂疏水端,疏水颗粒成为亲水性微粒,进入水相后完成消泡。疏水硅中的固体颗粒一般是由甲基硅油、硅氮烷或 DMC处理的,在泡泡表面局部浸入,使气泡表面局部的张力变小,再加上固体颗粒的作用,如针尖插入气泡,加速气泡的破裂。因此一般含有疏水白炭黑的消泡剂,其破泡效果稍好。
消泡其他机理的研究
①扩张作用引起的冲击
泡沫膜受到一定程度的冲击就会破裂。消泡剂对泡膜产生的冲击,也可使泡膜破裂。
  
②使助泡型表面活性剂溶解
一些能够与溶液充分混合的低分子物质,会使助泡表面活性剂溶解,使有效浓度降低。通常在混合溶剂中,表面活性剂的表面活性低于纯溶剂。具有这个作用的低分子物质,如辛醇。不但能使表面活性剂减少,而且能溶于表面活性剂中,使其致密程度降低。这两个因素都会削弱泡沫的稳定性。它是对乙醇、丙醇、辛醇等可溶性消泡剂的作用机理之一。为利于消泡,常在有机硅消泡剂配方中加入合适的醇类,也有一定的辅助消泡作用。
③电解质分解表面活性剂双电层

对起泡液在泡的表面活性剂双电层互斥作用下,加入一些普通电解质,加入一些普通电解质,瓦解表面活性剂双电层,并起到消泡作用。