消泡剂的作用机理

      为了搞清楚消泡剂在发泡介质中如何发挥作用,也为了更加合理、有效地使用消泡剂,我们就要熟悉它的作用机理及一般性质。

      当发泡体系剧烈发泡时,加消泡剂后,泡沫立即消灭。实际上消泡剂的作用是抵消助泡物质的稳泡作用。泡沫本来是极不稳定的,如纯净的水在搅拌之下,也会形成泡沫,但是一旦停止搅拌,泡沫马上消除。如果在水中添加了助泡物质,由于助泡物的稳泡作用,才难以使泡沫破灭。所以即使是会起泡的纯净表面活性剂,因为没有助泡物,也不会形成稳定的泡沫。下面对消泡剂的消泡机理作介绍。

      1941年,曾有人提出扩展系数S的概念,即:S=γm - γint -γa --- 式(1)

式(1)中:γm-起泡介质的表面张力N/m; γint-消泡剂与起泡介质的表面张力N/m; γa -消泡剂的表面张力N/m。

      扩展系数S若为正值,则消泡剂能够在泡膜的表面扩散,若为负值则难以扩散。也就是说S值越大则消泡剂越易

      在泡膜上扩散。从式(1)可见消泡剂的表面张力越小,则S 值越大,越易在泡膜表面扩散,消泡效果也越好。1948 年,又有人提出浸入系数E的概念,即E=γm + γint -γa - 式(2)

      同样的道理以浸入系数E 值的正负,来判断消泡剂是否能进入泡膜表面。也是消泡剂的表面张力越小越好。注意式(1)和式(2)是不同的, γint 前的符号不同,式(1)是负,式(2)正。美国胶体化学家罗斯,对添加各种表面活性剂的起泡体系进行试验和观察,寻找消泡剂在起泡液中溶解性与消泡效力的对应关系。在前人试验的基础上,他提出了一种假说:在溶液中,溶解状态的溶质是稳泡剂;不溶解状态的溶质,当式(1)、(2)中的扩展系数和浸入系数均为正值时,即是消泡剂。不溶解的溶质,才能聚集为分子团。

    消泡剂的分子团小滴一接触泡膜,因为S<0 E<0 s="">0 E>0 E>0先浸入;S>0则在泡膜上扩展;接着泡膜局部变薄而断裂.从而导致气泡合并或破灭。而当浸入系数S 和扩展系数E均为负值时,小滴既不浸入也不扩展;当浸入系数E为正值,扩展系数S为负值时,小滴浸入呈棱镜状,可浸入,但不扩展;只有二者均为正值时,才可能是消泡剂。

    S<0 e="">0 该假说给消泡剂的作用机理奠定了基础,很快得到了流传和广泛扩展应用。但是日本的专家佐佐木恒孝指出:罗斯假说不够全面。因为消泡作用包括抑泡和破泡两种类型。而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,未必像罗斯所说的那样完全推开泡膜而嵌入。因此人们认为还存在着多种消泡机理。虽然大多数消泡剂是不溶解的,可溶性添加剂扩展系数、浸入系数与消泡效果的关系大多数没有消泡作用。但是,确实有一部分消泡作用是在溶解状态下下进行的。也就是说,消泡剂也并非是绝对不溶性的物质。

1) 可使泡沫局部表面张力降低而导致气泡破灭。

    有人在油体系中研究了聚硅氧烷的消泡过程,他们对泡沫体系以1/1000秒的速度连续拍照,照片放大100倍,连续拍摄的4幅照片的示意图可见,硅油消泡剂小滴到达泡膜上,使泡膜表面破裂并合并成大泡，从1~3,泡沫由4个合并成1个大泡,泡膜变薄。最后气液迅速分离,大泡消灭,到4则破泡结束。这也从客观上解释了,为什么一滴消泡剂下去,一连串气泡破灭的原因。

  当消泡剂附着到泡膜上即浸入泡膜液,会显著降低该处的表面张力。因为在水体系中,消泡剂的活性成分对水的溶解度较小,表面张力的降低仅限于泡膜的局部,而泡膜周围的表面张力几乎没有发生变化。表面张力降低的部分,被强烈地向四周牵引、延展,最后导致泡沫破裂。

2) 消泡剂能破坏膜的弹性导致气泡破灭

    由于泡膜表面吸附表面活性剂,使表面张力降低。所以在受到局部压力,泡膜在该处局部变薄的同时,该处会因表面活性剂变稀薄而导致表面张力升高。正是因为新生的表面与原来的表面之间有了表面张力之差,使得泡膜受外界冲击变薄时,产生了弹性恢复力,泡膜才得以不破,起到了稳泡的作用。如果我们设法破坏这种弹性,就能破坏泡沫的稳定性。有专家认为:消泡剂的作用就是破坏泡膜的弹性。当消泡剂添加到泡沫体系中,会向气液界面扩散,使具有稳泡作用的表面活性剂难以发生恢复膜弹性的能力。

3) 消泡剂能促使液膜排液导致气泡破灭

    添加加速泡膜排液的物质(消泡剂),可以消泡。如果泡膜厚,排液到30~40nm的历程就长,而且,泡膜的自愈效应较强,泡膜弹性好,所以泡膜厚的泡沫寿命就长,泡膜排液速率可以反映泡沫的稳定性。液膜排液速率快,使液膜变薄,薄到一定的程度泡沫就破灭了。

  4) 疏水固体颗粒消泡剂的作用机理

    在起泡的水体系中,单独添加疏水二氧化硅(即疏水白炭黑)颗粒,即有消泡作用。疏水的白炭黑颗粒在气泡表面会吸引表面活性剂的疏水端,疏水颗粒变为亲水颗粒而进入水相,完成了消泡作用。疏水二氧化硅的固体颗粒一般是用甲基硅油、硅氮烷或DMC处理的白炭黑颗粒,它在气泡表面局部浸入,使气泡局部的表面张力变小,再加上固体颗粒的作用,像针尖插入气泡,加速气泡的破灭。所以一般含有疏水白炭黑的消泡剂的破泡效果要好一些。

① 扩展作用产生的冲击

    泡膜受到一定程度的冲击,即会破裂。加入的消泡剂在泡膜上产生的冲击,也可以使泡膜破裂。

② 使助泡表面活性剂被增溶

    某些能与溶液充分混合的低分子物质可以使助泡表面活性剂被增溶,使其有效浓度降低。常常发现,表面活性剂在混合溶剂中比在纯溶剂中表面活性低。有这种作用的低分子物,如辛醇。它不仅减少了表面层的表面活性剂,而且还会溶入表面活性剂吸附层,降低其密合程度。通过以上两方面的作用,减弱了泡沫稳定性。这就是可溶性消泡剂乙醇、丙醇、辛醇等的一种作用机理。为了有利于消泡往往在有机硅消泡剂配方中加入适当醇类,也起到一定的辅助消泡作用。

  ③ 电解质瓦解表面活性剂双电层

    对于借助泡的表面活性剂双电层互斥产生稳泡性的起泡液,加入一些普通的电解质,加入一些普通的电解质,即可瓦解表面活性剂的双电层,而起到消泡作用。