張健
(唐山三友化工股份有限公司,河北唐山063305)
目前,在化纖行業(yè)阻燃纖維制造過程中,攪拌、閃蒸等工藝會產(chǎn)生大量的泡沫,倘若不及時抑止,泡沫濃度過大,會影響正常生產(chǎn),引起設備和管道腐蝕,甚至導致產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力下降,因此需加入消泡劑[1-3]。
主要原料:甲基硅油(粘度/25℃:350 mPa·s/;1 000 mPa·s),工業(yè)品,唐山三友硅業(yè)有限責任公司;107硅橡膠,粘度50 000 mPa·s,工業(yè)品,唐山三友硅業(yè)有限責任公司;聚醚硅油,粘度/25℃:700~1 000 mPa·s,自制;Tween-80、Span-80,均為AR,江蘇海安化工廠;羧甲基纖維素鈉,工業(yè)級,保定華瑞化工有限公司。
1.2.1 硅膏的制備
將甲基硅油(粘度/25℃:350 mPa·s)、甲基硅油(粘度/25℃:1 000 mPa·s)、107 硅橡膠,按2∶2∶1 加入到帶有攪拌器、溫度計的三口瓶中,攪拌混勻。再投入氣相法二氧化硅。二氧化硅∶混合硅油=90∶10(質(zhì)量比),持續(xù)攪拌,升溫至130℃~140℃,保持2~3 h,再升溫至180℃~190℃,保溫2 h,然后冷卻至室溫,得到白色或淡黃色硅膏。
1.2.2 阻燃纖維有機硅消泡劑的復配制備
在三口瓶中,加入硅膏和聚醚硅油,硅膏∶聚醚硅油=40∶8(質(zhì)量比),攪拌均勻后加入8 份復合乳化劑(Tween 80和Span 80,比例HLB約為10),升溫至60℃~70℃,攪拌20 min后冷卻至室溫,最后將137份質(zhì)量分數(shù)為1%的羧甲基纖維素鈉水溶液與上述中間產(chǎn)物混合,攪拌30 min,制成白色阻燃纖維有機硅消泡劑。
1.3.1 消泡性能測試
起泡液配比為98%硫酸∶十二烷基苯磺酸鈉∶OP-10∶水=0.5∶0.5∶0.5∶98.5。
室溫下將50 mL起泡液加入到100 mL帶塞量筒中,上下振蕩30 次,使泡沫體積至100 mL,然后加入0.05 g消泡劑,同時啟動秒表記錄泡沫完全消失時間。消泡時間越短,消泡效果越好。
1.3.2 抑泡性能測試
在500 mL量筒中加入100 mL起泡液,加入0.1 g消泡劑,將壓縮空氣軟管插到起泡液底部鼓泡,穩(wěn)定氣流量為5 L/min,記錄泡沫到200 mL 刻度處所使用時長。時間越長,消泡劑的抑泡性能越好。
1.3.3 穩(wěn)定性測試
(1)離心穩(wěn)定性
根據(jù)GB/T 26527-2011,將消泡劑在3 000 rpm的離心機上離心15 min,觀察分層情況。
(2)熱穩(wěn)定性
取適量消泡劑,于60℃下放置24 h,觀察是否分層。
二甲基硅油的熱穩(wěn)定性好,表面張力低,消泡能力強,具有生化惰性,對大多數(shù)的起泡介質(zhì)具有優(yōu)異的消泡效果。消泡機理是通過消泡劑進入了介質(zhì)泡沫的雙分子定向膜,從而使定向膜的力學平衡被破壞,起到消泡抑泡的作用[6]。
試驗表明,二甲基硅油對消泡劑有著較大的影響。低粘度的甲基硅油在起泡液中易分散,發(fā)揮消泡作用,但抑泡效果差;107 硅橡膠及高粘度硅油溶解度小,抑泡時間比較長,但乳化過程困難,消泡效果差。綜合以上因素,為了獲得最佳的消泡抑泡性能,本研究試驗所選硅油為350 和1 000 mPa·s,所選107硅橡膠為50 000 mPa·s,用量為17%~18%。
在二甲基硅油中混入氣相二氧化硅,可明顯改善消泡效果。因為氣相二氧化硅易分散,密度小,比表面積大,并且未經(jīng)疏水處理顯親水性,在有機相中浸潤和分散較難;經(jīng)疏水處理后表面羥基減少,自由能降低,由親水變?yōu)槭杷?,與有機相的浸潤和分散效果改善明顯,從而有利于提高乳液系統(tǒng)穩(wěn)定性。
在其他條件相同的情況下,二氧化硅的使用量對消泡效果的影響結果如表1。
表1 二氧化硅用量對消泡劑性能的影響
表1顯示當二氧化硅的用量低于10%時,隨著二氧化硅用量的增加,消泡抑泡效果提高,但當二氧化硅高于10 g 時,消泡抑泡效果提升不明顯。綜合考慮,消泡劑中氣相二氧化硅的用量與硅油質(zhì)量比10 g為宜。
甲基硅油乳化困難,故選擇正確的乳化劑是關鍵。Span類和Tween類乳化劑的HLB值(8-11)相接近,親和力好,并且其化學結構與二甲基硅油相似,因此選擇Span-80 與Tween-80 乳化劑復配使用效果更加明顯。表2 顯示復配乳化劑的HLB 值接近10 時,效果更加明顯。
表2 復配乳化劑不同的HLB值對消泡劑性能的影響
其他條件和乳化劑復配使用后HLB 值不變,分析乳化劑加入量的影響,實驗結果如表3。
表3 乳化劑用量對消泡性能的影響
表3顯示,乳化劑的用量大小對消泡劑乳液穩(wěn)定性影響較大,綜合分析,乳化劑加入量以4%為好。
將聚醚硅油與二甲基硅油、107 硅橡膠及改性二氧化硅乳化復合。固定其他條件不變,分析聚醚硅油用量對消泡抑泡效果的影響,實驗結果如表4。
表4 聚醚硅油用量對消泡性能的影響
表4 顯示,聚醚硅油在一定范圍內(nèi)隨著其用量增加,消泡抑泡性能隨之提高,這是因為聚醚硅油利用組分間協(xié)同增效的作用,從而提高消泡抑泡效果。當聚醚硅油用量超過4%時,乳液中親水性基團含量高,反而導致消泡抑泡效果變差,經(jīng)上分析聚醚硅油用量應控制在4%左右為宜。
為使消泡劑在較長時間內(nèi)穩(wěn)定,配方中需添加增稠劑以提高乳液穩(wěn)定性,本實驗選用羧甲基纖維素鈉作為增稠劑,用量占乳液總量的1%時效果最佳。
制成消泡劑在離心機3 000 rpm 轉速下保持15 min不分層,表明制成消泡劑離心穩(wěn)定性好。在60℃環(huán)境下放置24 h 未出現(xiàn)分層、破乳現(xiàn)象,表明制成消泡劑耐熱穩(wěn)定性好。
本產(chǎn)品與市售的其他消泡劑進行比較,結果如表5。
表5 本產(chǎn)品與市售產(chǎn)品性能比較
由此分析,本乳液的消抑泡效果及穩(wěn)定性優(yōu)于市售產(chǎn)品。
本研究制備的阻燃纖維有機硅消泡劑產(chǎn)品原料來源方便,工藝流程簡單,生產(chǎn)環(huán)保,易工業(yè)化,使用效果和穩(wěn)定性較好。