一种新型二氧化硅消泡剂的研制

吴诗韬， 朱文华， 宋君龙

(南京林业大学 轻工科学与工程学院，江苏 南京 210037)

一种新型二氧化硅消泡剂的研制

吴诗韬， 朱文华， 宋君龙*

(南京林业大学 轻工科学与工程学院，江苏 南京 210037)

摘要：实验中首先使白炭黑与有机硅进行反应，然后再与硅油复配成消泡剂.经过修饰的白炭黑结合红外光谱、zeta电位等进行了表征，随后对该种新型二氧化硅消泡剂的性能进行了评价及量化.

关键词：造纸工业；消泡剂；二氧化硅；Zeta电位

泡沫是在制浆造纸过程中，蒸煮产生的皂化物质与黑液相互混合，在搅动下形成的.泡沫不仅会降低排放水体中的溶氧量，而且还会影响水体净化设备的正常运转，从而导致设备不必要的损害.泡沫的消除有机械法和化学法两种，由于机械法具有暂时性、表面性与不彻底性等弊端，因此常使用化学法，即使用消泡剂来除去泡沫.常见的消泡剂有很多种类，包括酰胺类[1]、有机硅氧烷类[2]、聚醚类[3]、硅油复合类和硅醚共聚类等.

消泡剂机理有很多，一种是通过降低泡沫的局部表面张力，从而破坏和抑制气泡壁薄膜的形成.泡沫的膜为双分子定向膜，消泡剂分子进入其中，破坏了它的力学平衡，从而是双分子定向膜破坏，以达到破泡的目的.另一种破泡方法是破坏膜的弹性.此外还有促使液膜排液、添加疏水固体颗粒等破泡方法.

国内外对硅油型消泡剂都有深入研究.A.B.BOURLINOS等[4]研究了一种有机消泡剂，以有机硅油 (CH3O)3Si(CH2)3O(CH2CH2O)6-9CH3与白炭黑(SiO2)通过70 ℃加热进行共价嫁接，通过Si-O-Si键使硅油与白炭黑嫁接，从而达到对SiO2修饰的目的.冯武[5]通过气相法二氧化硅和甲基硅油为媒介，加入一定量聚醚改性硅油，用Span-Tween作为乳化剂，制成复合乳液型有机硅消泡剂.黄良仙等[6]使用甲基硅油与气相法白炭黑、聚醚硅油以及乳化剂等复配而成的高效消泡剂.殷树梅等[7]以硅膏为主体，白油为载体，Span-Tween为主乳化剂，利用非离子和阴离子型表面活性剂以维持稳定，制备出高效乳液型有机硅消泡剂等.

本文开展了硅油-SiO2复合物型有机硅消泡剂的研制，实验中首先使白炭黑与有机硅进行反应，然后将二者的反应物与硅油复配成消泡剂.结合红外光谱、zeta电位等对经过修饰的白炭黑进行了表征，随后对该种新型二氧化硅消泡剂的性能进行了评价及量化，并从IR、zeta-sizer等角度对其构成进行了检测与分析.

1实验部分

1.1实验原料和仪器

实验原料选择短链阳离子有机硅样品1(化学式C9H24ClNO3Si，购自Gelest公司)3 g，长链阳离子有机硅样品2(化学式C22H50ClNO3Si，购自Gelest公司)3 g，工业级白炭黑(SiO2).

其化学组成如图1和图2所示.

图1　短链样品1的化学组成

图2　长链样品2的化学组成

仪器设备选取恒温磁力搅拌器、透析袋、电子天平、药匙、超声波分散仪、红外光谱分析仪、真空冷冻干燥机和Zeta电位测试仪.

1.2实验过程

硅油-白炭黑复合物制备方法如下：

取硅油样品3 g、SiO2粉末4 g，加水稀释至20 mL，搅拌前最好用超声波分散仪处理30 min,可以使其更好分散.在透析袋中透析48 h，取出后分装在两个烧杯中.

计算重量损失并对样品进行红外光谱测定与zeta-sizer电位检测，并对效果进行评估.取黑液并对其消泡性能进行试验，同时设置空白对照.得到随着聚醚用量变化消泡剂性能变化的数据表.

在实验过程中，注意几个关键性问题.

(1)恒温磁力搅拌时需要的温度为90 ℃，理论上用水浴即可，但是多次试验显示使用丙三醇比水浴更稳定,恒温效果更佳；

(2)冷冻干燥时需要在烧杯盖上插过孔的保鲜膜，把样品分成两份或更多，以保证冷冻干燥的效果(否则会因为冻干不完全导致结块)；

(3)实验用的白炭黑为极细的粉末状，4 g样品相对于水的体积很大，必要时可以增加适量水以便于搅拌.

2实验结果及分析

红外光谱及zeta电位测定实验均表明，经过2.2节的处理，长链阳离子样品已对白炭黑起到修饰作用.

2.1白炭黑的有机硅离子化

2.1.1红外光谱结果

图3为红外光谱测试结果.可以看出，Si-O-C键是在1 000～1 100 cm-1范围内，1 256 cm-1是Si-CH3键，2 157.11 cm-1是Si-H键的吸收峰，上述几个峰值是应该注意的；2 800 cm-1～3 000 cm-1是有机构成的吸收峰，也是本文需要注意的点位.

从图中可以看出，样品1和样品2在2 800 cm-1～3 000 cm-1的范围内处有吸收峰，即可表明已经通过化学嫁接方法使有机硅油与白炭黑(SiO2)结合.

图3中羟基的特征峰在3 650 cm-1～3 200 cm-1范围之间，羟基一般在3 600 cm-1处有较强的峰值.饱和烷烃-C-H的特征峰小于3 000 cm-1，一般在2 950 cm-1～2 850 cm-1范围内，如果有峰在1 390 cm-1～1 360 cm-1内，则说明有甲基；如果有峰在1 450 cm-1处，则说明有乙基.

图3　红外光谱测试图图象

2.1.2红外光谱(IR)比较

参考文献将4中 SiO2嫁接后的红外光谱(IR)与本文的实验结果对比(图4).通过本文方法与文献1中IR结果的对比可知，红外光谱显示在800 cm-1左右均发现吸收峰，在2 800～3 000 cm-1处发现有机物吸收峰，即可推断处理后的SiO2中已嫁接上所需硅油.

2.2zeta电位测试图象

短链样品1的zeta电位测试结果如图5所示.图中Zeta电位的数值大小与体系稳定性之间的关系大致为：0 mV到±5 mV时胶体可以快速凝结或凝聚；±10 mV到 ±30 mV时胶体开始变得不稳定；±30 mV到±40 mV时胶体稳定性一般，±40到±60时胶体有较好的稳定性，超过±61 mV时可以说明胶体有极好的稳定性.

图4　SiO2 嫁接前后的红外光谱(IR)对比

图5　短链样品1的zeta电位测试结果图象

体系稳定性与Zeta电位之间的关系如表1所示.可以看出，粒子越小电位绝对值越高，体系越稳定；反之其绝对值越低，溶液越容易凝聚.实验图象显示，其绝对值大约在30 mV左右，稳定性可以达到要求.

表1　体系稳定性与Zeta电位的关系

3结语

通过使用加热搅拌器实现了硅油对二氧化硅的修饰，并通过红外光谱与zeta电位对试验样品进行了探究与检测.另外今后还需解决实验变量控制、消泡剂的消泡性能等进行研究.

本文研究的硅油型消泡剂除消泡力强外，还具有硅氧烷基化学稳定性、生理惰性和高性能等特点.硅油样品在持续搅拌下，白炭黑(SiO2)可与带正电荷的硅-甲氧基基团作用，通过共价嫁接(covalent grafting)形成络合物，破坏定向膜的力学平衡，抑制其形成气泡壁薄膜，起到消泡、抑泡的作用，可广泛于纺织、印染、造纸、涂料、食品、石油和化工等行业.

[1]毛二林,李小瑞.乳液型二甲基硅油/气相SiO2/双酰胺复配消泡剂的制备及其性能研究[J].中华纸业,2008,29(20):51-53.

[2]黄伟,何庆海,杨磊,等.高效型有机硅消泡剂的制备[C].2010年第十五届中国有机硅学术交流会论文集,280-283.

[3]吴仁德,张纪梅.Si-O-C型聚醚改性有机硅消泡剂乳液的制备及性能研究[J].天津工业大学学报，2010,29(1):50-53.

[4]A. B. BOURLINOS S. RAY CHOWDHURY, D. D. JIANG,Q. ZHANG. Weakly solvated PEG-functionalized silica nanoparticles with liquid-like behavior[J]. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, 2005,40(18):5095-5097.

[5]冯武.食品工业用新型PESOPDMS复合乳液型有机硅消泡剂[J].食品工业科技,2008(6):262-264.

[6]殷树梅,王志浩.高效有机硅消泡剂的研究[J].有机硅材料,2010,24(4):218-221.

[7]黄良仙,安秋凤,郭锟,等.高效乳液型有机硅消泡剂的制备及性能研究[J].陕西科技大学学报,2009,27(1):37-40.

A New Type of SiO2-Silicone Oil Defoamer

WU Shi-tao, ZHU Wen-hua, SONG Jun-long*

(SchoolofLightIndustryScienceEngineering,NanjingForestry

University,Nanjing210037,China)

Abstract:In the experiment, a new type of oil deformer is obtained by reacting SiO2with organic silicone. The refined SiO2is tested by using IR spectrum and zeta-sizer, and then, an analysis and assessment is conducted on the property of this new type of oil defoamer.

Key words:papermaking industry; defoamer; silica dioxide; zeta-sizer

责任编辑：卫世乾

中图分类号：TQ423

文献标识码：A

文章编号：1671-9824(2015)02-0103-04

通讯作者：宋君龙(1979—)，男，博士，副教授，研究方向：纤维素化学、纤维素材料和造纸湿部化学.

作者简介：吴诗韬(1994—)，男，河南许昌人，研究方向：制浆造纸设备与控制.

收稿日期：2010-02-20