泡沫及消泡剂的研究进展

泡沫及消泡剂的研究进展 

葛成灿 ， 王源升 ， 余红伟 ， 魏 徵 (1 ．海军工程大学理学 院化学与材料 系 ， 湖北 武汉 4 3 003 3；2．四川大学高分子材料工程国家重点实验室， 四川 成都 61 0 06 4)

       摘 要： 本文介绍了泡沫及稳定机理、 泡沫的消除方法 ， 综述了消泡剂的作用机理及其发展与现状 ， 总结了消 泡剂的性能评价方法 ， 并对消泡剂及其性能的评价方法进行了展望。

 关键词 ： 泡沫 ； 消泡剂 ； 机理 ； 性能评价 

中图分类号 ： TQ： 42 3． 9 5 文献标识码 ： A 在工业生产和 日常生活中，由于种种原 因会 产生大量的泡沫，直接影 响到生产效率 ， 严重 时 可导致生产无法 进行 ，特别在造 纸、涂料 、 纺织 、食品、 制药及石油化学等行业 中，泡沫 的危 害更 为突出 ， 造成的后果更为严重。本文对泡沫及稳 定原理、 泡沫的消除方法进行 了总结 ， 综述 了消 泡剂的作用机理及其性能评价方法 ， 并对消泡剂 及其性能的评价方法进行 了展望。

 1 泡沫及 其稳定 原理 

        1．1 泡 沫 泡沫的研究最早可以追溯到柏拉 图时代 ⋯ ，

       但几百年来 ， 人们对泡沫的定义一直没有形成统 一 的认识 J 。美 国胶体化学 家 L．I ．Os i po w 和 道康宁公司的 R．F．Smi t h 从泡沫的密度方面对 泡沫进行 了定义 ；日本的伊藤光一l 5 从泡沫结构 的角度对泡沫进行了定义 ， 但是却忽略了气泡间 的相互联系 ； 我国著名的表面物理学家赵国玺 教授对泡沫的定义为：泡沫是气体分散于液体中 的分散体系，气体是分散相 (不连续相)， 液体是 分散介质(连续相)， 液体 中的气泡上升至液 面，形成少量液体 构成 的以液膜 隔开气体 的气泡 聚 集物 。目前 ，国内外 学者一致认为：泡沫本身是 一 种热力学不稳定体系 ， 当气体进入含有表面活 性剂的溶 液 中时 ，便会形 成长 时间稳 定 的泡沫 体系 引。

       1．2 泡 沫 的稳定 原理 1．2．1 泡沫的衰减机理 在重力和压力差存在 的条件下泡 沫的液 膜 会不均衡 的流动排液 ， 气泡 中的气 体也会 因为泡 膜两边压力差不同的原因不 断的发生扩散渗透 ，所以泡沫本身 的不稳定性 主要从动力学方 面得 以体现。其衰减的机理 主要有气体 透过液膜 的扩散 和液膜的排液这两个方 面 J， 这两种性质是泡沫 本身 固有的属性 ， 与表面活性剂 的存在与否都没 有关系 ， 但是这两种衰减机 理 ，只在泡沫体系形 成 的初始阶段作用 比较 明显 ，随着泡沫体系的衰 减 ， 这两种作用逐渐减弱 ，使得泡 沫衰减 的速率 逐渐变慢。

       1．2． 2 泡沫的稳定 因素 ’ ”泡沫产生的直接原 因是表面活性剂 的存在 ， 使溶液的表面张力降低 ， 在此原因和泡沫衰减机 理的共同作用下 ， 不同的泡沫体系表现出不 同的稳定性能主要和以下几种 因素有关 ： 起泡溶液的 表面张力 、 泡沫的表面粘度 、 溶液 的粘度 、 表面张 力的 自我 修复 作用 (即 Gi bbs表 面 弹性 和 Ma— r ang oni效应 )、 液膜的表面双 电层斥力和熵斥力 、表面活性剂的疏水端结构和空间位阻效应等 ， 这 些 因素之间不是独立存在 的， 一种 因素 的改变会 使其他的一些 因素也改 变。影 响泡沫 的稳定性 最主要 的因素就是液膜 的弹性和排液速率 ，从这 个角度考虑可以看出在不 同的泡沫体 系中泡沫 稳定性影响的主要因素都是不 同的， 并且往往有 时几种影响因素同时存在 、 共同作用。

       除以上这些因素外 还有些 因素也会影响到 泡沫的稳定性 ，如泡沫 的大小 、 溶质与溶剂的配 合 、 温度 、 pH值 、 溶剂的蒸发速率 、 泡沫的受 冲击 程度以及表面活性剂的吸附速率等。

 2 泡沫的消除方法 

        2．1 物 理方法 从物理学角度考虑消除泡沫的方法主要包 括放置挡板或滤网 、 机械搅拌 、 静电、冷冻 、 加热、蒸汽、 射线照射 、 高速离心 、 加压减压、 高频振动 、瞬间放电和超声波(声学液体控制)等 ， 这些方法 都在不同的程度上促进 了液膜两端气体的透过 速率和泡膜的排液， 使得泡沫的稳定因素小于衰 减因素 ， 从而泡沫的数量逐渐减少 。但是这些方 法共 同的缺点是使用受环境因素的制约性较强、消泡速率不高等 ， 优点在与环保 、 重复利用率高。

        2． 2 化学方法 从化学角度消除泡沫的方法 主要包括化学 反应法和添加消泡剂的方法。化学反应法是指 通过加入一些试剂使其与起泡剂发生化学反应 ，生成不溶于水的物质 ， 从而降低 了液膜中表面活 性剂的浓度，促使泡沫 的破裂 ， 但是这种方法存 在发泡剂成分不确定 、 产生难溶性物质对体系设 备产生危害等缺点。现如今 各行各业应用最广 泛的消泡方法是加入消泡剂 的方法 ， 这种方法最 大的优点在于破泡效率高、使用方便等优点 ， 但 是寻找合适高效的消泡剂是关键。

3 消泡剂及其作用机理 

       3．1 消泡剂的种类及不同种类优缺点 

       3．1 ．1 消泡剂的种类 消泡剂按照不同的分类标准可以有很 多种 方法 ， 如按形式分可分为固体颗粒型、 乳液型、 分 散体型 、 油型和膏型五大类 ； 按消泡剂在不 同工 业生产中的应用可以分为纺织工业消泡剂 、 造纸 工业消泡剂 、 涂料工业消泡剂 、 食品工业消泡剂 和石油工业消泡剂等¨ ； 按 消泡剂 的化学结构 和组成可以分为矿物油类 、醇类 、 脂肪酸及脂肪 酸酯类 、 酰胺类 、 磷酸酯类 、 有机硅类 、 聚醚类 、 聚 醚改性聚硅氧烷类消泡剂 。

      3．1 ．2 不同种类消泡剂的优缺点u 矿物油类 、 酰胺类 、 低级醇类 、 脂 肪酸及脂肪 酸酯类 、 磷酸酯类等有机物消泡剂的研究应用较 早 ， 属于第一代消泡剂 ， 其具有原料易得 、 环保性 能高、 生产成本低等优点；缺点在于消泡效率低 、专用性强、 使用条件苛刻等。聚醚类消泡剂是第二代消泡剂， 主要包括直 链聚醚 、由醇或氨为起始剂 的聚醚 、 端基酯化 的 聚醚衍生物三种 。聚醚类 消泡剂 最大的优点在 于抑泡能力强 ，除此 以外 ， 还有些 聚醚类 的消泡 剂具有耐高温 、 耐强 酸强碱等优 良性 能；缺点是 使用条件受温度限制 、 使用领域窄 、消泡能力较 差 、 破泡速率低等。有机硅类消泡剂 (第三代消泡剂 )有较强 的 消泡性能、 快速的破泡能力 、 挥发性低 、 对环境无 毒害 、 无生理惰性 、 使用范围广等优点 ，因此有着 广阔的应用前景和巨大的市场潜力 ，但是抑泡性 能较差。聚醚改性 聚硅 氧烷消泡剂 同时兼 有聚醚类 消泡剂和有机硅类消泡剂的优点 ， 是消泡剂的发 展方向。有时还可以根据其逆溶解性重复利用 ，但是 目前此类消泡剂的种类较少 ， 还处于研发阶 段 ， 生产 的成本较高。

        3．2 消泡剂的消泡机理 关于消泡剂 的作用机理 至今 还没有统一 的 认识 ， 根据前人所提 出的消泡剂机理 ，大致可 以 将消泡剂分为以下三种 ：

               3．2．1 具有概括性的消泡机理 典型的具有概括 性的消泡机理 是 Robi ns on 消泡机 理[ " 和罗斯假 说¨¨。其 中 Robi ns o n机 理是罗斯假说 的基础 ， 它主要强调 了消泡剂破坏 泡沫的排液和 Mar a ngo ni效应实现 消泡 ；罗斯假 设是在消泡剂颗粒为非可溶小滴 物质 的基础上 进行 的， 而实际上有的消泡剂产生消泡作用是在 溶解状态下进行 的，所以罗斯假说 的消泡机理并 不 全面 。

               3．2．2 聚硅氧烷消泡剂的作用机理 具有代表性 的聚硅氧烷消泡机理主要有“架 桥一 铺展”机理¨8 J、 “架桥 脱湿 ”机理¨ 、 “铺展． 液体夹带”机理 。 。 等。“架桥一 铺展”机理主要从 “聚硅氧烷 自身张力 比较低 ， 容易在液膜上铺展” 这一基本 点 出发 ，它强调 的是 消泡剂 液滴 易变 形 ， 但是这种理论不能解释单独 的聚硅氧烷与聚 硅氧烷和固体离子混合物作为消泡剂 时之间的 消泡差异。“架桥一 脱湿”机理主要是从聚硅氧烷 自身具有疏水性的角度 出发 ， 但对于粘度很大的 聚硅氧烷 的消泡 作用就不 能很好 的解 释。“铺 展一 液体夹带”机理尚不能被证实 ，因为有些事实 表明聚硅氧烷有时候并没有在泡膜表面铺展 ， 可 是 同样可以破泡。

               3．2．3 疏水固体颗粒的消泡机理 疏水性的固体颗粒在泡沫体系中， 首先会吸 引表面活性剂的疏水端， 使得疏水性的固体颗粒 变为亲水性 的， 从而降低 了泡膜 中表面活性剂的 浓度 ， 促使泡沫破裂。这种消泡机理不能解释其 它消泡剂的作用机理 ， 过于片面。还有些泡沫破裂 的原 因是消泡剂扩展作用 产生的冲击 、 使表面活性剂被增 溶破 泡 、电解质 瓦解液膜表面双电层 的破泡等。从以上这些消泡机理可 以看 出， 每种消泡剂 对不同的泡沫体系，其作用 的侧重点不 同，但都 是通过破坏泡沫的稳定因素实现消泡。

              3．3 消泡剂的作用因素 泡沫体系的多样性决定 了泡沫稳 定因素的 多样性 ， 消泡剂种类的多样性决定 了消泡机理的 多样性 ， 随着对消泡机 理的研究深入 ， 人们越来 越多的发现没有一种机理可 以解释所有 消泡剂 的作用机理 ， 也就是说消泡剂 的作用机理因情况 的不同而不同。消泡剂 的作用机理主要体现在 以下三个方面 ：

       (1)消泡剂微滴侵人液膜扩展 ， 顶替原来液 膜表面上溶剂 ， 降低此处 的表 面张力，使得液膜 内部受力不均 ， 从而促使液膜破裂。

       (2)消泡剂破坏膜弹性使液膜失去 自修复作 用而消泡。

       (3)消泡剂降低液膜黏度促使液膜的排液速 率和气体的扩散速率使泡沫寿命缩短而消泡。

4 消泡剂性能测试 

       4．1 消泡剂性能测试的内容 消泡剂性能包括 消泡速率 、消泡能力、抑泡 能力 、 储藏稳定性 、 水溶性 、耐酸耐碱性 、 生理毒 性 、 耐高温性 、 消泡剂的最佳使用量等 ， 一般最重 要的性能是消泡性能和抑泡性 能， 在某些行业 中 对消泡剂 还可能有着其他特 别的要求 。不 同的 性能需要不同的测试方法 ， 但消泡剂的消泡性能 和抑泡性能的测试方法是最多种类的， 也是所有 消泡剂都必须要测试 的。

       4．2 传统的消泡性能和抑泡性能的测试方法 消泡性能和抑泡性能常见 的测试方法有 ： 罗 斯一 迈尔斯法 、 西德工业标准法 、 鼓气法 、 搅拌法 、 滴定法 、 高速分散法 和循环鼓泡法等 ，还有 一些 如 ASTM D892O6el标 准、ASTM— E240704、 震荡 法(或摇瓶法)、 高施密特评价法、Q／XGY 01 491 标准 、 ASTM D89246T标 准 、 上海氯 碱化工股份 有限公司评价方法等都和 以上的测试方法类似 ， 这些方法 的区别在于泡沫产生的原因、消泡剂 的 加入时机和泡沫的静动态种类等 ， 共 同点在于都 是利用泡沫体积 的变化来 比较消泡剂 的作用性 能 ， 但是利用泡沫高度的方法在很多的实际生产 中可操作性很差。另外 ， 消泡剂 的性能评价没有 固定的标准 ， 都是通过在测试 中相互 比较来评判 消泡剂性能的优劣。

       由于消泡剂应用的广泛性和针对性 ， 消泡剂 性能的测试 结果很 大程度上会依赖气泡产生 的 环境 、消泡剂种类 、 消泡剂加人方式 、 消泡剂的作 用时问等 ， 所 以消泡剂性能评价的众多方法无法 去宏观的比较优劣 ， 在不 同的消泡剂性能测试方 法中， 有时会得 到不 同的测试结论 ，甚至可能会 相 反 。

5 展望 

       5．1 消泡 剂展 望 ¨ 随着对消泡剂领域研究 的深入 ，每一种类的 消泡剂都有待 于进一 步的完善 和改性 ； 并且 ，随 着新 的消泡剂活性组份不断 出现，旧种类 的消泡 剂逐渐被取代 ，具体表 现为 ： 提高矿物油消泡剂 的消抑泡性能 ； 通过研究 聚醚 的结构改善聚醚消 泡剂 的消泡性 能 ； 对有机硅消泡剂 的成份进行设 计 ， 提高有机硅消泡剂的品质 ， 包括抑泡性能 、 消 泡性能 、 稳定 性 、 相 容性 、 抗剪切性 能等 ； 研究更 多种类 的聚醚改性聚硅氧烷 消泡剂 ， 拓宽其应用 领域 。另外 ，随着 复配 协调效 用研究 的不 断深 入 ， 研究不 同种类消泡剂和消泡助剂之问复配后 的消抑泡性能也有很大的价值。总之 ， 那些消泡 剂用量少 、 性能优 异 、能提高设备利用率 和实际 生产效能的消泡剂将会成 为未来消泡剂发展 的 主要要求。

       5．2 消泡剂性能评价检测的展望 传统的消泡剂性能评价方法往往存在泡沫 高度难把握， 泡沫体积变化难 以扑捉等因素使数 

据不 准确。在评价消泡剂的性能时 ， 需要使用实 际情况中的发泡液 ， 并尽可能的模拟泡沫产生 的 真实环境 ， 在特定的时机通过某一种方式加人消 泡剂 ， 比较消泡剂的性能优劣。根据气泡和泡沫 的其它一些性能 ， 对消泡剂性能的评价方法 的检 测方面进行以下展望 ：

      (1)光强法 ： 根据气泡对泡沫的散射 和透射 特性 ，当具有一定强度的光透过一定 区域的泡沫 时其透射光的强度会大大减小 ， 根据透射光强 的 变化可以直接的反应出泡沫量的变化 ， 从而比较 消泡剂性能的优劣。这种方法最大 的优点在于 检测的及时性和连续性数据处理。

     ( 2)电导率法 ：因为泡沫是气液的混合 ，当溶 液中含有导电离子时 ， 泡沫体系中的液体导电而 气体不导电， 所 以可以根据 电导率的大小测量泡 沫的含量， 从而比较消泡剂性能的优劣。这种方 法的优点在于灵敏度高 、 测量准确 ， 但是这种方 法在消泡剂对电导率有影响时不适用。

     (3)摄像照相法：这种方法首先使用光照亮 泡沫区， 用 CCD来拍摄采样区， 然后通过～定 的 图像处理技术 ， 对图像进行分析 ， 通过 比较加人 消泡剂前后 图像中泡沫的变化来 比较消泡剂 的 优劣。这种方法的最大优点在于直观 ， 但要求消 泡剂加入后 不 能因为颜 色改 变影 响到 图 片 的 

质量。

     ( 4)声检测法 ： 泡沫在破裂时会因液膜运动 速度太大而发出声 响， 根据此原理 ， 可 以通过测 量声音的大小去检测气泡的破裂速率 ， 从而 比较 消泡剂的破泡速率的快慢。这种方法 的缺点是 对背景噪音的要求比较苛刻， 且对泡沫的破裂程 度不好把握。

     (5)流动显示法 ： 泡沫 的产生离不 开液 体 ， 流动显示的任务就是使液体的运动过程可视 化， 在研究泡沫方面可以用到的技术有全息照相 和红外成像技术等 ， 或者可以在气泡含量较少 的 情况下 ， 通过高速照相仪 ， 然后 比较气泡含量 的 多少和研究泡沫 中气泡数量的变化 ， 然从 而比较 不同消泡剂的优劣。但 是这种方法类似 于摄像 照相法 ， 有一定的应用局限性。以上这些 方法对 实地消泡剂 的性 能检测具 有一定的应用前景 ， 使得研制 出一种方便、可行、准确 、 快速的检测仪器成 为可能，有一定 的研究 价值 ， 代表着消泡剂性能检测的发展方向。

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Study On Foam and Anti f oami ng agent Ge Cheng— can ，Wang Yuan— sheng ，Yu Hong— wet ‘ ，Wei Zheng 

(1 ．De pa rt ment of Chemi s t r y and Ma t er ial，Na va l Uni ver si t y o f Engi neer ing，Wuhan 430033， Chi na 

2． S i c h u a n Uni v e r s i t y Di r e c t o r o f S t a t e Ke y La bo r a t o r y o f Po l y me r Ma t e r ia l Eng i n ee r in g， Che n g d u 61 0 06 5， Chi na)Abs t rac t： Thi s ar t i c l e deal s wi t h t he s t a bi l i z at i on t heor y o f f oam and t he def oam met hod．The mecha ni sm，t he act ua l i t y and de— vel opme nt of ant i f oa m i ng ag ent ar e i nt r oduced a nd t he per fo r mance es t i ma t i on met hods of ant i f oami ng a gent i s s ummar i z ed．Keywords： Foa m ；Ant i f oami ng ag ent； Mec hani s m ； Meas ur ement t echni ques

(编辑 ： 张迎元)

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Appl i cat i on and Development of M agnesi um Al l oys and Patent Anal ysi s 

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