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起泡剂、泡沫稳定剂、消泡剂qt090905-8
程靖环 陶绮雯编著
原载：《染整助剂》第四章；171-179
网上来稿：nene-8
第四章 起泡剂、泡沫稳定剂、消泡制
第一节 起泡剂[107]
表面活性剂有一个显著的共同特点，是比较易于起泡。天然皂素以及卵蛋白、树脂等的水溶液亦容易起泡。
表面活性剂的起泡性，是由于表面活性剂能够降低液体表面张力，并在气-液表面(界面)形成定向分子吸附层的缘故。
当搅动表面活性剂的水溶液，或直接吹入空气时就产生气泡，空气被含有表面活性剂的液膜分割包围着，这时表面活性剂的憎水性基团向着空气，亲水性基团向着水。气泡比水轻，当气泡上浮到液体表面时又将液面上表面活性剂的定向分子吸附层吸附上去，形成双层表面活性剂分子液膜包围着的气泡。见图2-34。
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图2-34 起泡剂起泡作用示意图 |
泡沫一般很难在纯粹的液体中形成，例如纯粹的水、醇、矿物油是不易起泡的，即使起泡亦能迅速消失。只有当某种不纯物或表面活性剂存在时，才能产生比较稳定的泡沫。
气泡液膜中含有的液体，属于一种热力学不稳定的状态，按液体表面张力泡沫将逐渐消失成为原来液体。除液体的表面张力外，表面活性剂的种类、不纯物、液体的粘度、水的硬度、温度，pH值以及机械的搅拌与振动等，对起泡与消泡均有显著影响。此外应当注意的是，表面张力与起泡性的关系，不一定是一种平行关系。
表面活性作用强的表面活性剂，有一种自液体表面排除并取代表面活性作用弱的表面活性剂的倾向，例如高级脂肪酸的表面活性较其盐类即肥皂的表面活性要强得多，通常肥皂的水溶液，常常由于解离作用生成游离的脂肪酸，按溶液的pH不同，游离脂肪酸的含量亦有不同，若提高溶液的pH，抑低游离脂肪酸含量，泡沫的稳定性即趋下降。再如油酸钠肥皂(C18)，在pH9～lO时具有最高起泡力，在这泡沫中，l克分子中性肥皂含有O.7克分子游离脂肪酸。同样月桂醇硫酸酯钠盐中，若含有少量未硫酸化的月桂醇，对提高泡沫的稳定性有利。由此可见，表面活性剂可以通过混合配方的办法来提高起泡性。
日常生活中，人们对于家用洗涤剂洗涤效果的评价，往往与起泡性混淆起来。习惯上认为，泡沫多的洗涤效果就是好的，实际上起泡性与洗涤效果不一定具有平行关系。与此相反，印染生产上往往希望使用低起泡性表面活性剂(起泡剂除外)，以满足各种快速、高效工艺的需要。
表2-55 各种表面活性剂的起泡力
|
名称 |
离子性 |
含量 % |
化学组成 |
泡高/mm |
|||
|
蒸馏水/min |
硬水* /min |
||||||
|
0 |
5 |
0 |
5 |
||||
|
Miranol HM |
阳 |
40 |
月桂酰-咪唑啉 |
0 |
5 |
0 |
5 |
|
|
阴 |
31 |
月桂醇硫酸酯钠盐 |
220 |
215 |
120 |
110 |
|
Ultrawet K |
阴 |
35 |
烷基苯磷酸钠 |
200 |
200 |
125 |
120 |
|
Arctic Syntex M |
阴 |
32 |
高级脂肪酸单甘油酯的硫酸酯钠盐 |
200 |
195 |
225 |
220 |
|
Amaron K 460 |
阴 |
60 |
烷基聚乙二醇硫酸盐 |
205 |
195 |
205 |
220 |
|
Igepon THC |
阴 |
72 |
油酰甲基牛磺酸盐 |
190 |
135 |
200 |
215 |
|
Maypon |
阴 |
35 |
油酸与蛋白质分解物缩合物 |
195 |
195 |
170 |
170 |
|
Nino1 128 |
非 |
100 |
有机胺的缩合物 |
175 |
170 |
155 |
145 |
|
Coconut K Soap |
阴 |
15 |
椰子油脂肪酸的钾肥皂 |
160 |
150 |
15 |
10 |
|
Onyx B.T.C |
阳 |
50 |
苄基季铵氯化物 |
190 |
70 |
190 |
20 |
|
Aerosol OT |
阴 |
100 |
磺基琥珀酸二辛酯 |
180 |
15 |
50 |
15 |
|
Brij 35 |
非 |
100 |
月桂醇聚氧乙烯醚 |
120 |
110 |
95 |
85 |
|
Nekal BX |
阴 |
80 |
二丁基萘磺酸盐 |
105 |
25 |
180 |
15 |
|
Triton X-100 |
非 |
100 |
烷基苯酚聚氧乙烯醚 |
125 |
75 |
115 |
60 |
|
Tergito1 4 |
阴 |
25 |
仲醇硫酸酯钠盐 |
110 |
5 |
90 |
5 |
|
Tween 20 |
非 |
100 |
失水山梨糖醇单月桂酸酯聚氧乙烯醚 |
85 |
75 |
80 |
70 |
|
Monosulph |
阴 |
68 |
硫酸化蓖麻子油 |
90 |
33 |
20 |
0 |
|
Sterox Co |
非 |
100 |
妥而油聚氧乙烯醚 |
35 |
30 |
35 |
30 |
注： *350ppm硬水
一、肥皂的起泡性
一般讲，阴离子表面活性剂起泡性大的比较多。以脂肪酸钠肥皂而言，例如碳链较短的月桂酸钠肥皂(C12)，低温起泡性比较好，同时遇硬水、盐类亦较少产生沉淀或盐析现象。但泡沫粗糙，稳定性差，而且有温度上升泡沫稳定性下降的趋势。碳链稍长的肉豆蔻酸钠肥皂(C14)，泡沫匀细，温度上升泡沫稳定，但易受硬水、盐类的影响。棕榈酸钠肥皂(C16)的低温起泡性较弱，这一倾向对硬脂酸钠肥皂(C18)将更加显著，常温溶解度低，起泡性弱，但泡沫细腻稳定，可在稍高温度如
油酸钠肥皂(C18-2H)的碳链长度与硬脂酸钠肥皂相同，由于存在亲水性的双键结合，对水的溶解度增加，起泡性在相同浓度下与硬脂酸钠肥皂相比要差一些。再增加不饱和双键结合，例如亚油酸钠肥皂(C18-4H)、亚麻酸钠肥皂(C18-6H)，则溶解度大大增加，起泡性显著下降，已失去作为起泡剂使用的价值。
二、脂肪醇硫酸酯盐的起泡性
直链脂肪醇硫酸酯盐(R-0S03Na)的起泡性与肥皂类似，与使用的浓度有关，在临界胶束浓度附近具有最高起泡力。碳链长度在C14～C16间起泡性最高，当碳原子数增至C18以上时即急速降低。从椰子油制得的脂肪醇硫酸酯盐与椰子油肥皂有非常相似的起泡性，虽在低温亦易起泡，只是泡沫粗糙。以牛脂作原料制得的脂肪醇硫酸酯盐，则在高温起泡性良好，性能与牛脂肥皂相似。
月桂醇硫酸酯盐(C12H25-OSO3Na)中若含有少量月桂醇(C12H25OH)，它的起泡性要比纯粹的月桂醇硫酸酯盐为优[108]。用三乙醇胺代替钠盐即可作为牙膏的起泡剂。
脂肪(伯)醇硫酸酯盐中以硬脂醇硫酸酯C18H37-OS03Na的起泡性最差，但是分子中有不饱和双键结合的油醇硫酸酯C18H25-0SO3Na的起泡性与洗涤效果均好。
带有较多支链的脂肪醇硫酸酯，当碳原子在C20～C22时具有最高起泡力，同时表面张力也是最低，这意味着起泡性与表面张力的降低非常一致。见图2-35。
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图2-35 脂肪醇硫酸酯的起泡性 |
脂肪醇硫酸酯分子中硫酸酯基的结合位置，若向分子中心移动，一般要引起起泡性的下降，因此脂肪(伯)醇硫酸酯的起泡力要比脂肪(仲)醇硫酸酯为强。
三、烷基苯磺酸钠的起泡性
烷基苯磺酸钠(R-（苯环）-S03Na)的起泡性，与降低表面张力一样，依其浓度不同而异。在临界胶束浓度以上，起泡力仅稍有上升(见图2-36)。
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图2-36烷基苯磺酸钠的起泡性 |
烷基为C14时具有最低表面张力与最高起泡力。带有支链的异烷基较直链烷基在临界胶束浓度附近，虽有显著降低表面张力作用，但起泡性并不一定好[109]。
烷基苯磺酸钠中以十二烷基苯磺酸钠应用最广，十二烷基与苯磺酸钠的结合位置与起泡性有一定关系。十二烷基苯磺酸钠的起泡性较十二烷基-5-苯磺酸钠或^2-甲基十二烷基-2-苯磺酸钠为差，大体上与十二烷基-1-苯磺酸钠相仿。但在低浓度时较十二烷基苯磺酸钠为优。
苯环上磺酸基的结合位置，一般以对位较邻位为优。四聚丙烯基苯磺酸钠(TPBS)由于不是单一结构，对其性质不易简单地加以判断。但与同样分子量的其它烷基苯磺酸钠比较，它的润湿性好，而起泡性差[110]。
若用萘环代替苯环，起泡性变差。拉开粉BX还是有一定起泡性的，但是将烷基萘磺酸钠用很多次甲基(-CH2-)联接后，乳化力提高而起泡性下降到很低的程度。
四、阳离子表面活性剂的起泡性
在阳离子表而活性剂中，虽然亦有起泡性优良的品种，但是一般讲没有什么起泡性、泡沫稳定性两者兼优的品种，此外pH值对起泡性的影响很大。
五、非离子表面活性剂的起泡性
非离子表面活性剂的起泡性．一般随环氧乙烷缩合克分子数的多少而有所差异。环氧乙烷缩合克分子少的溶解性能不好，起泡性亦随之减弱。缩合克分子数增多，溶解性、起泡性亦相应增加。按憎水性基团的种类，环氧乙烷缩合克分子数在10-15左右的产品，具有最高的起泡力。见图2-37。
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图2-37非离子表面活性剂的起泡性 |
最近由于非离子表面活性剂的消费量急剧增加，产生了泡沫的公害问题，采取的对策是生产低起泡性非离子表面活性剂。例如，将高级醇聚氧乙烯醚再用环氧丙烷缩合，产品有曲力通CF(Triton
CF)、塞尔福尼克LF(Surfonic LF)。或将分子量1000～3000的非水溶性聚丙二醇(18～
第二节 泡沫稳定剂
为了延长泡沫寿命，提高表面活性剂泡沫的稳定性，需要使用泡沫稳定剂。泡沫的稳定性，除了表面活性剂的表面张力以外，还关系到泡膜的弹性与韧性。从化学结构来看，一般高分子量的较低分子量的泡沫稳定性好，网状结构化合物要比链状化合物的泡沫稳定性好。
以往作为泡沫稳定剂使用的除胶、卵白、卵磷脂以外，还有脂肪酰胺(R-CONH2)、脂肪酸乙醇酰胺(R-CONH-CH2-CH2-OH)、N-烷基亚氨二醋酸钠盐
、烷基甜菜碱磺酸(R-(CH2)2-N+-CH2-CH2-CH2-S03-)、聚丙烯酸及其衍生物等。非人工合成的有蛋白质，特别是蛋白质的部分水解产物。
泡沫稳定性对泡沫灭火机的灭火性能是特别重要的，通常能用硫酸铝，若使用有机铝盐将更有效。此外，将蛋白质水解物制成锌或铜的铵络盐，亦可作为泡沫稳定剂。总之，加入高分子的具有较高粘度并能形成弹性薄膜的物质，例如木质素磺酸、皂素、胶体硅酸等，对稳定泡沫是有利的。
第三节 消泡剂
含有表面活性剂的液体固然容易形成泡沫，但是在一些并不使用表面活性剂的场合，例如造纸、发酵、制糖、石油蒸馏等工业，由于某些其它因素，亦有时会发生泡沫影响生产正常进行的情况。消灭有害的泡沫，虽然可以利用静置、减压(真空)、加温等办法，但是当需要在短暂时间内，迅速达到消除泡沫的目的时，那就需要借助于添加消泡剂。
消泡剂主要可分为暂时性消泡剂(破泡剂)和持久性消泡剂(抑泡剂)两种。图2-38为消泡剂破泡作用示意图。
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图2-38消泡剂破泡作用示意图 |
液面上形成的泡沫，用醇、醚型消泡剂来消散泡沫，即破泡。它与防止泡沫生成即抑泡是有区别的，前者是暂时性
的效果，若醇、醚型消泡剂溶入液体即失去作用，因此也不可能产生抑泡效果。但是若用有机硅油型消泡剂来消散泡沫，不仅用量极微，而且在破泡的同时还有持久的抑泡作用，因此有机硅油型消泡剂是当前应用最为广泛的消泡剂之一。
兹将常用的消泡剂按化学类型、消泡对象分类列表2-34。
表2-34
主要消泡剂一览表
|
起泡性液体 |
适用的消泡剂 |
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水 |
鲸油、猪油、鱼油，蓖麻子油、脂肪酸铝、辛醇、2-辛醇、月桂醇、鲸蜡醇、二异丁基醚．油酸乙酯、聚乙二醇、脂肪酸、N,N-二硬脂基乙二酰胺、矿油、固体石蜡、硅油 |
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染色溶液 |
磷酸三异丁酯、异辛醇、正辛醇、癸醇、高级醇、高级酮、高级酯、矿油、硅油 |
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矿油、润滑油 |
聚乙二醇、月桂酸聚乙二醇酯、氟化碳氢化含物．脂肪酸、聚乙二醇酯、烷基磷酸酯 |
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浆粕，造纸 |
高级醇、乙二醇丁醚、丙二醇丁醚、聚苯乙烯丙二醇与聚乙二醇嵌段共聚物、异丙醇胺、硬脂酸丙醇酰胺、DBS-异丙醇胺盐、石蜡油、硅油 |
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防冻液 |
醋酸乙酯、硬脂酸丁酯、硬脂酸苯酯 |
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涂料，印刷油墨 |
磷酸三丁酯、2-乙基已醇 |
P179