一種新型二氧化硅消泡劑的研制

吳詩韜， 朱文華， 宋君龍

(南京林業(yè)大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

一種新型二氧化硅消泡劑的研制

吳詩韜， 朱文華， 宋君龍*

(南京林業(yè)大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

摘要：實(shí)驗(yàn)中首先使白炭黑與有機(jī)硅進(jìn)行反應(yīng)，然后再與硅油復(fù)配成消泡劑.經(jīng)過修飾的白炭黑結(jié)合紅外光譜、zeta電位等進(jìn)行了表征，隨后對該種新型二氧化硅消泡劑的性能進(jìn)行了評價(jià)及量化.

關(guān)鍵詞：造紙工業(yè)；消泡劑；二氧化硅；Zeta電位

泡沫是在制漿造紙過程中，蒸煮產(chǎn)生的皂化物質(zhì)與黑液相互混合，在攪動下形成的.泡沫不僅會降低排放水體中的溶氧量，而且還會影響水體凈化設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致設(shè)備不必要的損害.泡沫的消除有機(jī)械法和化學(xué)法兩種，由于機(jī)械法具有暫時(shí)性、表面性與不徹底性等弊端，因此常使用化學(xué)法，即使用消泡劑來除去泡沫.常見的消泡劑有很多種類，包括酰胺類[1]、有機(jī)硅氧烷類[2]、聚醚類[3]、硅油復(fù)合類和硅醚共聚類等.

消泡劑機(jī)理有很多，一種是通過降低泡沫的局部表面張力，從而破壞和抑制氣泡壁薄膜的形成.泡沫的膜為雙分子定向膜，消泡劑分子進(jìn)入其中，破壞了它的力學(xué)平衡，從而是雙分子定向膜破壞，以達(dá)到破泡的目的.另一種破泡方法是破壞膜的彈性.此外還有促使液膜排液、添加疏水固體顆粒等破泡方法.

國內(nèi)外對硅油型消泡劑都有深入研究.A.B.BOURLINOS等[4]研究了一種有機(jī)消泡劑，以有機(jī)硅油 (CH3O)3Si(CH2)3O(CH2CH2O)6-9CH3與白炭黑(SiO2)通過70 ℃加熱進(jìn)行共價(jià)嫁接，通過Si-O-Si鍵使硅油與白炭黑嫁接，從而達(dá)到對SiO2修飾的目的.馮武[5]通過氣相法二氧化硅和甲基硅油為媒介，加入一定量聚醚改性硅油，用Span-Tween作為乳化劑，制成復(fù)合乳液型有機(jī)硅消泡劑.黃良仙等[6]使用甲基硅油與氣相法白炭黑、聚醚硅油以及乳化劑等復(fù)配而成的高效消泡劑.殷樹梅等[7]以硅膏為主體，白油為載體，Span-Tween為主乳化劑，利用非離子和陰離子型表面活性劑以維持穩(wěn)定，制備出高效乳液型有機(jī)硅消泡劑等.

本文開展了硅油-SiO2復(fù)合物型有機(jī)硅消泡劑的研制，實(shí)驗(yàn)中首先使白炭黑與有機(jī)硅進(jìn)行反應(yīng)，然后將二者的反應(yīng)物與硅油復(fù)配成消泡劑.結(jié)合紅外光譜、zeta電位等對經(jīng)過修飾的白炭黑進(jìn)行了表征，隨后對該種新型二氧化硅消泡劑的性能進(jìn)行了評價(jià)及量化，并從IR、zeta-sizer等角度對其構(gòu)成進(jìn)行了檢測與分析.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料和儀器

實(shí)驗(yàn)原料選擇短鏈陽離子有機(jī)硅樣品1(化學(xué)式C9H24ClNO3Si，購自Gelest公司)3 g，長鏈陽離子有機(jī)硅樣品2(化學(xué)式C22H50ClNO3Si，購自Gelest公司)3 g，工業(yè)級白炭黑(SiO2).

其化學(xué)組成如圖1和圖2所示.

圖1　短鏈樣品1的化學(xué)組成

圖2　長鏈樣品2的化學(xué)組成

儀器設(shè)備選取恒溫磁力攪拌器、透析袋、電子天平、藥匙、超聲波分散儀、紅外光譜分析儀、真空冷凍干燥機(jī)和Zeta電位測試儀.

1.2實(shí)驗(yàn)過程

硅油-白炭黑復(fù)合物制備方法如下：

取硅油樣品3 g、SiO2粉末4 g，加水稀釋至20 mL，攪拌前最好用超聲波分散儀處理30 min,可以使其更好分散.在透析袋中透析48 h，取出后分裝在兩個(gè)燒杯中.

計(jì)算重量損失并對樣品進(jìn)行紅外光譜測定與zeta-sizer電位檢測，并對效果進(jìn)行評估.取黑液并對其消泡性能進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)設(shè)置空白對照.得到隨著聚醚用量變化消泡劑性能變化的數(shù)據(jù)表.

在實(shí)驗(yàn)過程中，注意幾個(gè)關(guān)鍵性問題.

(1)恒溫磁力攪拌時(shí)需要的溫度為90 ℃，理論上用水浴即可，但是多次試驗(yàn)顯示使用丙三醇比水浴更穩(wěn)定,恒溫效果更佳；

(2)冷凍干燥時(shí)需要在燒杯蓋上插過孔的保鮮膜，把樣品分成兩份或更多，以保證冷凍干燥的效果(否則會因?yàn)閮龈刹煌耆珜?dǎo)致結(jié)塊)；

(3)實(shí)驗(yàn)用的白炭黑為極細(xì)的粉末狀，4 g樣品相對于水的體積很大，必要時(shí)可以增加適量水以便于攪拌.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

紅外光譜及zeta電位測定實(shí)驗(yàn)均表明，經(jīng)過2.2節(jié)的處理，長鏈陽離子樣品已對白炭黑起到修飾作用.

2.1白炭黑的有機(jī)硅離子化

2.1.1紅外光譜結(jié)果

圖3為紅外光譜測試結(jié)果.可以看出，Si-O-C鍵是在1 000～1 100 cm-1范圍內(nèi)，1 256 cm-1是Si-CH3鍵，2 157.11 cm-1是Si-H鍵的吸收峰，上述幾個(gè)峰值是應(yīng)該注意的；2 800 cm-1～3 000 cm-1是有機(jī)構(gòu)成的吸收峰，也是本文需要注意的點(diǎn)位.

從圖中可以看出，樣品1和樣品2在2 800 cm-1～3 000 cm-1的范圍內(nèi)處有吸收峰，即可表明已經(jīng)通過化學(xué)嫁接方法使有機(jī)硅油與白炭黑(SiO2)結(jié)合.

圖3中羥基的特征峰在3 650 cm-1～3 200 cm-1范圍之間，羥基一般在3 600 cm-1處有較強(qiáng)的峰值.飽和烷烴-C-H的特征峰小于3 000 cm-1，一般在2 950 cm-1～2 850 cm-1范圍內(nèi)，如果有峰在1 390 cm-1～1 360 cm-1內(nèi)，則說明有甲基；如果有峰在1 450 cm-1處，則說明有乙基.

圖3　紅外光譜測試圖圖象

2.1.2紅外光譜(IR)比較

參考文獻(xiàn)將4中 SiO2嫁接后的紅外光譜(IR)與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比(圖4).通過本文方法與文獻(xiàn)1中IR結(jié)果的對比可知，紅外光譜顯示在800 cm-1左右均發(fā)現(xiàn)吸收峰，在2 800～3 000 cm-1處發(fā)現(xiàn)有機(jī)物吸收峰，即可推斷處理后的SiO2中已嫁接上所需硅油.

2.2zeta電位測試圖象

短鏈樣品1的zeta電位測試結(jié)果如圖5所示.圖中Zeta電位的數(shù)值大小與體系穩(wěn)定性之間的關(guān)系大致為：0 mV到±5 mV時(shí)膠體可以快速凝結(jié)或凝聚；±10 mV到 ±30 mV時(shí)膠體開始變得不穩(wěn)定；±30 mV到±40 mV時(shí)膠體穩(wěn)定性一般，±40到±60時(shí)膠體有較好的穩(wěn)定性，超過±61 mV時(shí)可以說明膠體有極好的穩(wěn)定性.

圖4　SiO2 嫁接前后的紅外光譜(IR)對比

圖5　短鏈樣品1的zeta電位測試結(jié)果圖象

體系穩(wěn)定性與Zeta電位之間的關(guān)系如表1所示.可以看出，粒子越小電位絕對值越高，體系越穩(wěn)定；反之其絕對值越低，溶液越容易凝聚.實(shí)驗(yàn)圖象顯示，其絕對值大約在30 mV左右，穩(wěn)定性可以達(dá)到要求.

表1　體系穩(wěn)定性與Zeta電位的關(guān)系

3結(jié)語

通過使用加熱攪拌器實(shí)現(xiàn)了硅油對二氧化硅的修飾，并通過紅外光譜與zeta電位對試驗(yàn)樣品進(jìn)行了探究與檢測.另外今后還需解決實(shí)驗(yàn)變量控制、消泡劑的消泡性能等進(jìn)行研究.

本文研究的硅油型消泡劑除消泡力強(qiáng)外，還具有硅氧烷基化學(xué)穩(wěn)定性、生理惰性和高性能等特點(diǎn).硅油樣品在持續(xù)攪拌下，白炭黑(SiO2)可與帶正電荷的硅-甲氧基基團(tuán)作用，通過共價(jià)嫁接(covalent grafting)形成絡(luò)合物，破壞定向膜的力學(xué)平衡，抑制其形成氣泡壁薄膜，起到消泡、抑泡的作用，可廣泛于紡織、印染、造紙、涂料、食品、石油和化工等行業(yè).

[1]毛二林,李小瑞.乳液型二甲基硅油/氣相SiO2/雙酰胺復(fù)配消泡劑的制備及其性能研究[J].中華紙業(yè),2008,29(20):51-53.

[2]黃偉,何慶海,楊磊,等.高效型有機(jī)硅消泡劑的制備[C].2010年第十五屆中國有機(jī)硅學(xué)術(shù)交流會論文集,280-283.

[3]吳仁德,張紀(jì)梅.Si-O-C型聚醚改性有機(jī)硅消泡劑乳液的制備及性能研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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]馮武.食品工業(yè)用新型PESOPDMS復(fù)合乳液型有機(jī)硅消泡劑[J].食品工業(yè)科技,2008(6):262-264.

[6]殷樹梅,王志浩.高效有機(jī)硅消泡劑的研究[J].有機(jī)硅材料,2010,24(4):218-221.

[7]黃良仙,安秋鳳,郭錕,等.高效乳液型有機(jī)硅消泡劑的制備及性能研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),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

責(zé)任編輯：衛(wèi)世乾

中圖分類號：TQ423

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9824(2015)02-0103-04

通訊作者：宋君龍(1979—)，男，博士，副教授，研究方向：纖維素化學(xué)、纖維素材料和造紙濕部化學(xué).

作者簡介：吳詩韜(1994—)，男，河南許昌人，研究方向：制漿造紙?jiān)O(shè)備與控制.

收稿日期：2010-02-20