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液体夹带当进入空气和水的相界面后，油滴有选择的沿着表面铺展或者形成一个凸镜状的液层。

泡沫破裂经典机理之一，依赖于油在空气和薄膜相界面铺展所产生的热毛细对流[2,3]。

这种铺展机理源自于单层的油膜，或者源自于在大量油滴之前的“前兆”油膜。

随后大量油的铺展是一个缓慢的过程，因为这一过程依赖于重力驱动流的取代。

最基本的概念是当单层的油在膜的表面铺展时，拉动下面的液体使得局部膜的厚度减小，从而使得气泡破裂。

假定表面张力的平衡常数，径向铺展的状况可由下式表示：r = kt 3/4（3）K =212121/21ηρ34⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛l w o S其中r是单层油膜的铺展半径；ρ是面下流体的密度；η是面下流体的粘度；t是时间；S l o/w是经典初始铺展系数。

公式3表示的情况比较简单，是在假定单一的油层表面张力不变的情况下适用。

对于消泡现象重要的是穿破潜流的深度，并通过模型预测出深度m = 。

在铺展层可以影响气泡膜厚度或者破裂之前，这个深度大致与气泡膜的厚度相同。

Cox[16]和他的同事提出了，一个更加详细的单层油膜在空气和水的相界面铺展的数据；而在最近Jensen[17]在其基础上也发表了更多的数据结论。

这些论文都指出，泡沫膜的厚度以及变化的表面张力对消泡起着影响。

然而Bergeron和Langevin[11]最近指出，对于大多数普通系统这些动态的影响并不是很重要，公式（3）能够精准的确定出单层铺展反应。

但当表面到相界面的吸收时标小于铺展单层油膜的时标时，或者当薄膜弹力强烈影响张力值时，并不适用于公式（3）。

3.3交错断裂当油进入空气和水的相界面后形成了凸镜状的液层，此时的油并不能诱导上述铺展反应的发生，而是作为消泡剂以另外一种方式进行反应。

取而代之的是通过收聚消泡剂球体颗粒的三相接触点，使得薄膜和单个破裂的膜之间的桥接产生毛细不稳定性[4]（见图2）。

毛细压力诱导断裂机理，已被证实对应的是固体消泡剂颗粒的去湿现象[5]。

然而非润湿相（液相、固相、液固相结合）可以优化上述现象产生的条件[1,4,18]。

此外，如任意一个去湿过程一样，接触角决定着反应以及效果；消泡剂在三相接触点的球形颗粒的独特几何，影响着接触角在消泡中的应用[1]。

不过消泡剂特别方式的应用决定的一般准则，可继续发展完善以及指导评估诱导断裂的必要条件[1,19]；这些接触角的准则总结在表1中。

特别是对于油性消泡剂，通过水相测定的油-水对应于空气的接触角大于90o时，必须要形成一个不稳定的桥接。

此外，由于油-水接触角由表面张力决定，所以上述情形可重新由张力值表现出来，也被称为桥接系数B o/w，桥接系数由Garrett[18]提出。

B o/w= σ2wg+σ2ow-σ2og （4）当θgas o/w> 90o时，桥接系数为正；进入泡沫膜相界面的油球颗粒或者消泡剂颗粒，将会发生去湿并使得泡沫破裂。

因此对于非分散的油基消泡剂，通过交错断裂的方式消泡的零界条件是B o/w > 0。

表1薄层交错断裂的接触角准则消泡剂类型接触角条件固型θgas w/solid ＞90o油涂层固型θr ＜θgas w/solid ＜90o，90o ＜θoil w/solid ＜180o油基型Θgas o/w＞90o桥接系数和进入系数存在着数学上的相似；研究所发现桥接系数为正时，进入系数一定为正，然而此结论的反命题却并不正确。

也就是说，尽管油滴可以完成必要的进入步骤，但不一定会发生交错断裂，这是因为还未达到桥接的条件。

因此想要确定桥接系数的正负性，必须保证更加有效的消泡剂。

总的来说，为了使得消泡剂具有高的效率，必须首先进入空气—水的相界面；因此对于PDMS油基消泡剂，正的进入系数是重要热力学条件。

然而薄膜的弹力可以产生自由能垒，从而减弱消泡剂的进入效率。

一旦进入过程完成，交错断裂或者由表面油铺展诱导的气泡膜的变薄，将会使得气泡破裂。

前者是由接触角和三相接触点的几何学决定的去湿过程；后者则是由表面和界面张力所决定的，油铺展行为的结果。

因此为了确认这些反应机理，我们必须在测定PDMS油和消泡剂相关的各种表面活性剂的同时，测定接触角、表面和界面张力、单层铺展率以及进入特点。

4 要求4.1实验材料在此次研究中所用的PDMS油，均有Rhone Poulenc提供。

为了对比的一致性，所有的界面张力和接触角数据必须出自相同规格的油（47v100，Mw = 10 000，M w/M n = 1.8），这种规格的油被看做是低分子量的聚合物。

其他的油包括未处理的47个VX系列，其中X = 10，20，100，350，500，1000，5000，10000，60000，是高粘度以及高分子量的油；这些油以下将会参考使用。