消泡剂

消泡剂（英文：defoamer）是在生产过程中降低表面张力，消除泡沫的物质。一般由载体、主消泡剂、辅助消泡剂、铺展剂或乳化剂、配体或稳定剂构成。消泡剂多为液体复配产品，可主要分为三类：矿物油类、有机硅化物类、聚醚多元醇类。可以用循环鼓泡法、摇瓶法等方法测定其消泡和抑泡性能。被广泛用于食品发酵、石油加工与炼制、造纸等行业中。

发展历史

19世纪比利时物理学家约瑟夫·普拉托（J·Plateau）就注意到了泡沫问题。第二次世界大战期间日本胶体化学家佐佐木恒孝、美国胶体化学家罗斯（S·Ross）等人对消泡问题发表了多篇文章。而真正对消泡技术有系统整理和研究的是1952年的美国道康宁（Dow Corning）公司的柯里（C·C·Currie）。1954年，美国威根德-奥特（Wagnd-ott）公司首次投产聚醚型消泡剂。

液相泡沫的产生与危害

液相泡沫的产生

气泡是气体在液相中的分散体，而泡沫是许多气泡的聚集体。当液体中不含有工业味精时，气泡纯净、裸露，否则会在气泡表面吸附一层膜。

在液体中的气泡有迁移到液面的倾向，气液表面的气泡破裂会逸出气体，而液体融入到液相中。在加了表面活性剂的液相中，气液表面的气泡表面会形成双层表面活性剂膜面。此时的气泡难以破裂，将互相挤压、浮在气液界面。

液相泡沫的产生与液体自身的化学组成、物理性质及其工作条件、混入的杂质有关。比较典型的起泡场景有：含有表面活性剂的水溶液本身很容易气泡；液体在强烈混合、泵送的过程中容易起泡；溶于液体中的气体在加热或化学反应过程中生成了气体分子导致气泡。

液相泡沫的危害（工业生产）

在工业生产过程中液相泡沫可能产生以下危害：

消泡剂的消泡原理

有多种方法可以消除泡沫，比如改进装置密封性、X光或紫外线照射、急速减压、器壁润湿等。采用将消泡剂加入起泡体系的方法是最有效的办法。

消泡剂的作用机理尚未形成统一认识，以下两种消泡机理只能解释部分消泡剂在一些体系中的消泡过程。

“架桥-铺展”机理

聚硅氧烷和疏水白炭黑的粒子混合物作为水性体系中的消泡剂时，会在泡膜上形成一个双凹面的消泡剂油桥，桥在直径方向的铺展会导致膜变薄，最终破裂。这种机理一般发生在低粘度的聚硅氧上。

“架桥-脱湿”机理

油桥的形成同“架桥铺展”机理相同，形成油桥后由于消泡剂液滴是疏水的，所以会在水相中脱湿，进而导致泡膜破裂。这种机理一般发生在高粘度的聚硅氧烷上。

“增溶”效果

在超过临界胶束浓度的含工业味精的溶液中，有机消泡剂可能被增溶进而失去表面铺展作用，降低消泡效果。

消泡剂的功能性组分

消泡剂一般由载体、主消泡剂、辅助消泡剂、铺展剂或乳化剂、配体或稳定剂构成。

消泡剂的评估方法

有效消泡剂具备的条件

其中条件一和条件二是判断某物质是否可以作为消泡剂的根本特性。

消泡剂性能的测试方法

消泡和抑泡性能

目前对消泡剂的性能的测试主要有循环鼓泡法、摇瓶法、高速分散法。使用时将现场应用结果同实验室测试结果相对比。

循环鼓泡法

用于评价消泡剂的消泡性能、抑泡性能。设定温度并开启循环泵，当泡沫体积达到设定数值时加入消泡剂，记录泡沫完全消失的时间。时间越短，则消泡性能越好。

抑泡性能的测试类似，加入消泡剂后记录泡沫体积随着时间的变化规律，连续鼓泡同样的时间时，泡沫体积越小，则抑泡性能越好。

摇瓶法

用于评价消泡性能及其持久性。容器中加入表面活性剂水溶液，摇振数次起泡，加入消泡剂后再次摇振数次，记录泡沫完全消失的时间。时间越短，消泡性能越好。消泡后再进行摇振并记录泡沫完全消失的时间，时间越长，消泡性能的持久性越好。

高速分散法

将含起泡介质和消泡剂的容器在高速分散机上分散，量取泡沫体积并取出一定体积的分散液称量，计算密度。密度越高，说明气泡含量越低，消泡剂的抑泡作用越好。高速分散法主要用于测试水性涂料、胶粘剂消泡剂等控制泡沫的能力。

贮藏稳定性

取适量消泡剂放于加盖容器中，于恒温箱放置一段时间，测定各项性能并与最初消泡能力进行对比。

消泡剂的分类

消泡剂可以是单一的物质，也可以由多种物质经特定工艺加工而成。

矿物油类

乳化后的聚二甲基硅氧烷是常见的矿物油类消泡剂的主要成分。这类消泡剂的优点是化学稳定性、生理惰性、高低温性能好，破泡能力强，由于其本身具有的亲油性，在油溶性溶液中的消泡效果好。缺点是抑泡能力差、对菌丝发育有一定抑制、浅色织物上会产生硅斑。

聚醚类

聚醚由环氧乙烷、环氧丙烷开环聚合而成，典型的聚醚类消泡剂有聚氧丙烯、氧化乙烯甘油醚。这类消泡剂有抑泡能力强、消泡速度快、热稳定性好等优点，是目前发酵行业的主导消泡剂。聚醚还有上光、润滑的功能，而且无毒、价格便宜，所以也常用在涂料用消泡剂。它的缺点在于破泡率低。

有机硅类

有机硅类消泡剂一般指聚二甲基硅氧烷，由硅氧烷分子中引入聚醚链制得。这类消泡剂结合了聚醚的抑泡能力和二甲基硅油的破泡能力，还加入了一些乳化剂、稳定剂。优点在于常温下消泡速度快、抑制泡沫好、在水性体系中能和疏水粒子形成混合物从而提升消泡效果并耐酸、碱和无机盐，被广泛用于涤纶织物高温染色中。缺点是在水中易于乳化（当浊点温度以上时会分层导致效果变差）、易于金属表面发生反应。

应用领域

食品工业

原料发酵过程、食品加工过程、添加高分子化合物乳化剂的过程中可能会产生泡沫。液体泡沫可能形成于啤酒、香槟、果汁的生产中，固体泡沫则可能来自于面包、蛋糕、饼干的生产中。部分工艺需要利用泡沫，但多数情况下需要消除泡沫。

味精发酵生产中常用聚醚多元醇类、有机硅类消泡剂；聚甘油脂肪酸酯类消泡剂能改善果露过滤性能，故在制糖工业中广泛使用。

中华人民共和国在《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》(GB2760一2014)中规定了符合食品安全的可使用的消泡剂及其使用范围。

石油加工与炼制

石油加工与炼制中产生危害泡沫的原因多种多样。 在油气分离、油水分离工序中，天然气从原油中逸出，会形成含有天然气的泡沫相和含有原油的液相，影响分离效率。石油炼制过程中生成的小分子难以从粘稠体系中溢出，会产生泡沫影响生产过程。

另外，储运和罐装过程中、钻井液和固井水泥浆在配浆过程中都会引入空气产生泡沫。

石油加工与炼制中主要使用聚硅氧烷和改性聚硅氧烷作为消泡剂。

造纸工业

造纸工业在制浆、抄纸、涂布纸用涂料的配置、纸张表面施胶等过程中都需要消泡剂，制浆和抄纸过程中空气进入制浆体系会形成大量泡沫，给后序工序带来困难；涂料也容易在机械搅拌和研磨过程中引入空气。

制浆和抄纸工序常用聚醚、有机硅化物等多种成分的复配，而由于涂布用的消泡剂会留在纸张中，所以其所用的消泡剂多采用聚醚。

安全环保

油基型的消泡剂在造纸的氯漂白过程中会变成有害的氯代二氧（杂）和氯代二苯呋喃随废水排出。小鼠长期接触在海水淡化过程中使用的消泡剂会发生肝损伤。

参考资料

中华人民共和国食品安全标准与监测评估司.《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》（GB2760-2014）.食品添加剂使用标准.中华人民共和国国家卫生健康委员会.2023-03-30