众所周知,在工业生产和日常生活中所产生的泡沫有有益的泡沫和有害的泡沫。如用于泡沫浮选、泡沫灭火、洗涤、泡沫分离等过程中的泡沫就是有益的泡沫。而有时在工业生产中,泡沫的存在反而会带来不必要的麻烦、污染环境、影响生产的正常进行。如纺织、发酵、绘画、涂料、造纸等,这时产生的泡沫是有害的[1]。消灭有害的泡沫常用静置、减压、加温或加压等物理办法,但是当需要在短时间内迅速有效地消除泡沫时,就需要添加化学消泡剂[2]。目前国产涤纶纤维油剂的主要成分是磷酸酯类和聚醚类等两类表面活性剂,在使用中其性能不稳定,生产中在强冲击下会产生大量泡沫。所使用的消泡剂成本很高,消泡效果不理想,消泡效率较低,经常使油剂外溢,污染环境。另外,使用过多会影响纤维品质,同时产生类似橡皮泥样的黏稠物质,堵塞拔丝设备等。因此,开发研究该领域的消泡剂势在必行。有关应用于纺织领域的消泡剂有聚醚改性有机硅消泡剂[3]、复合型有机硅消泡剂[4]、单纯有机硅消泡剂[5-6]和有机硅消泡剂[7-8],它们分别用于腈纶纺丝油剂(油溶性)、针织、丝绸、混纺织物以及纱线染色[9]等湿法处理和印染行业中,但在涤纶纤维纺丝油剂中的应用未见报道。

本文根据涤纶纤维生产企业所使用油剂的特性,利用相似相溶和各组分相互作用原理,在前人[10-13]研究的基础上,研发了目前在纺丝中应用较少的有机硅消泡剂JUC。它具有环保、无毒、高效、稳定性好、生理惰性、性价比高等特点。

JUC有机硅消泡剂是以黏度较低的两种二甲基硅油(其中较高黏度的简称JUC-A,较低黏度的简称JUC-B,本文以JUC-B为例,讨论了其制备)和二氧化硅为消泡剂主剂,失水山梨醇酯、聚氧乙烯失水山梨醇酯和脂肪醇聚氧乙烯醚等为乳化剂,以羧甲基纤维素等为增稠剂,采用绿色环保复配技术,探究了涤纶纤维纺丝油剂消泡剂的制备,系统考察了各种复配条件和各种组分的用量对所研发消泡剂的性能影响,通过规律性

1 实验部分

1.1 药品与仪器

二甲基硅油(150-400mPa・s)、气相SiO2、失水山梨醇酯、聚氧乙烯失水山梨醇酯、脂肪醇聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素、无水乙醇等均为AR,二次蒸馏水(自制)。

JZ-1型搅拌器(金坛市恒丰仪器厂),电加热套(河北巩义科教仪器设备有限公司),FM200型实验室高剪切分散乳化机(德国FLUK0公司),IS13320激光衍射散射粒度仪(美国Beckman-Coulter公司),DNJ-1型黏度计(上海科教仪器厂),XYZ-200型界面张力仪(承德试验机厂),电子显微镜(日本Hitachi公司H-800透射电子显微镜的附件)。

1.2 原理

泡沫是气体分散于液体中的不连续分散体系。泡沫的形成及其稳定性主要是由液体的表面张力、表面黏度、表面吸附、表面电荷以及液膜强度决定的,其中最重要的影响因素是液膜强度[14-15]。目前比较经典的消泡原理有两种:一种是消泡剂表面张力远低于起泡体系,这样消泡剂可以在泡沫表面迅速分散,使泡沫破裂。另一种是消泡剂微粒渗入气泡液膜内,拉破液膜而使气泡破裂。本文兼顾上述两种消泡原理,在二甲基硅油中复配一定量的气相二氧化硅制成硅膏,再乳化分散,使二甲基硅油在消泡剂中的含量减少,以达到降低成本,减少硅斑的目的。

1.3 方法

1.3.1 硅膏的制备

在三颈瓶中以质量比为1:6-1:16加入经疏水处理的SiO2和二甲基硅

1.3.2 JUC有机硅消泡剂制备

在三颈瓶中加入上述硅膏,加热至8O-100℃,在搅拌下依次加入质量分数3%-5%的混合乳化剂、质量分数5%-8%的水溶性不同聚合相对分子质量的羧甲基纤维素或羧乙基纤维素等,搅拌至形成均一的乳化液后,乳化3-5min,即得有机硅消泡剂。

1.4 消泡抑泡性能的测定

本实验采用质量分数为0.28%的TDS-2000系列涤纶纤维纺丝油剂作为起泡体系进行测定。

测定方法如下:取30mL起泡剂于1O0mL带塞磨口量筒中,用力振摇20次(往复1次为振摇1次),加入1小滴(0.05g)消泡剂,并开始计时,同步记录泡沫高度与时间的变化关系。消泡速率越快消泡性能越好。泡沫消除后,再反复振摇2O次,起泡越少、自消泡时间越短、持续时间越长、抑泡性能越好。

1.5 消泡效率的计算

1.6 分散性的测定

将消泡剂用蓝色墨水染色均匀。在20mL试管中加入质量分数为0.28%涤纶纤维纺丝油剂1O mL,滴加一滴已染色的消泡剂,振荡,考察消泡剂分散性。如分散不好,则消泡剂以球状液滴形式沉于容器底部。

2 结果与讨论

2.1 SiO2对硅膏的影响

未经表面处理的硅膏不透明,且颜色非常深,接近棕色,用这种硅膏做出的消泡剂颜色淡黄,分散性较差。经过表面处理的硅膏透明,微黄,用此硅膏制备的消泡剂颜色洁白,几乎不挂壁,且使SiO2在二甲基硅油中有良好的分散性。

2.2 JUC有机硅消泡剂性能

采用低黏度二甲基硅油为主料。此产品具有很好的表面扩散能力,消泡快速,铺展能力好,由于一方面消泡剂中S

2.3 各因素对有机硅消泡剂的影响

2.3.1 硅膏合成温度对JUC消泡剂消泡性能的影响

硅膏的合成是影响有机硅消泡剂性能的主要因素,其合成温度起重要作用。二甲基硅油和二氧化硅的质量分数一定,乳化剂的HLB值为8.5时,JUC消泡剂消泡性能随着硅膏合成温度的变化关系如图1所示。

由图1可知,160℃和180℃合成的硅膏消泡速度较快,180℃合成的硅膏消泡速度最快。但从经济角度考虑,JUC消泡剂的制备选择160℃时合成的硅膏。

2.3.2 二氧化硅的质量分数对JUC消泡剂消泡性能的影响

如图2所示,二甲基硅油在配方中的质量分数为22%,在其他条件不变,随着二氧化硅质量分数的增加,消泡速率逐渐增加,质量分数为1.5%和2.0%时消泡效果很接近,质量分数为2.0%的消泡剂消泡时间略短。但高于2.0%时消泡剂分层,稳定性差。综合消泡剂的使用效果,JUC消泡剂中的二氧化硅的质量分数选择1.5%-2.O%。

2.3.3 乳化剂HLB值对JUC消泡剂的影响

图3是二甲基硅油在配方中的质量分数为22%,硅膏的合成温度为160℃,其他条件不变,由图3可知,随着乳化剂HLB值的增加,消泡速率先逐渐升高,然后逐

2.3.4 JUC消泡剂合成温度的影响

图4为二甲基硅油质量分数为22%,二氧化硅质量分数为2.0%,HLB值为8.5时,JUC消泡剂的复配温度对JUC消泡剂消泡性能的影响。

可以看出,随着复配温度的升高,JUC消泡剂消泡速率先逐渐加快,90℃复配的消泡剂消泡速率达到最快,随着温度继续升高,消泡速率又有所下降,但只有90℃复配的消泡剂能使纤维油剂的泡沫全部消灭。因此,选择90℃为消泡剂的复配温度。

综上所述,通过规律性实验确定的JUC消泡剂的最佳复配条件是:硅膏的合成温度160℃,二氧化硅的质量分数为1.5%-2.0%,乳化剂的HLB为8.5,消泡剂复配温度90℃。

2.4 JUC消泡剂对涤纶纤维纺丝油剂抑泡的影响

在起泡体系中加入消泡剂消泡完全后,在实验室条件下静置20h,振摇60次,观察其抑泡情况。JUC消泡剂对涤纶纤维纺丝油剂和起泡性能最好的表面活性剂溶液抑泡的影响见表1。

表1 JUC-A和JUC-B对不同起泡体系的抑泡对比

注:质量分数1%十二烷基苯磺酸钠起泡高度75mL;质量分数1%十二烷基硫酸钠起泡高度95mL。

由表1可知,JUC消泡剂对质量分数为1%十二烷基苯磺酸钠、质量分数为1%十二烷基硫酸钠和质量分数为0.28%TDS-2000系列涤纶纤维纺丝油剂起泡体系都有很好的抑泡效果。并且对涤纶纤维纺丝油剂的抑泡效果最佳,重复振摇泡沫不足5mL,且泡沫松散,很快退去。上述溶液静置60d后,JUC消泡剂对涤纶纤维纺丝油剂的抑泡效果基本不变,但对质量分数为1%十二烷基苯磺酸钠和质量分数为1%十二烷基硫酸钠水溶液的抑泡作用在20d后有所改变。总之,JUC消泡剂对涤纶纤维纺丝油剂具有良好的消泡和抑泡性能。

2.5 粒径测定

因为粒径的大小直接影响涤纶纤维纺丝的顺利进行,如果粒径超过纺丝孔距就会影响纺丝工序的正常进行。由于工厂抽丝的孔距大约在130µm,因此,必须对其粒径进行表征。

2.5.1 粒度分布

JUC消泡剂中二氧化硅的粒度分布见图5。

由图5可知,二氧化硅在消泡剂中的粒径主要分布在20-40µm。

2.5.2 粒径大小及结构

JUC消泡剂在电子显微镜下的显微照片如图6所示。

由图6可以看出,其粒径基本与图5的粒径大小一致,但其结构是壳核结构。

3 结论

(1)通过规律性实验,系统考察了各个因素和各个组分对消泡剂性能的影响,确定JUC消泡剂的最佳制备条件为:在二甲基硅油质量分数一定的条件下,硅膏合成温度160℃,二氧化硅质量分数为1.5%-2.0%,HLB=8.5,消泡剂复配温度90℃。

(2)通过消泡和抑泡性能对比,JUC消泡剂具有较好的消泡和抑泡性能。消泡速度快,可达8s,消泡效率高,可达95%,甚至更高。且易于分散。

(3)通过粒径分布测定和高倍电子显微镜观察,其粒径主要分布在20-40µm,结构是壳核结构,可以满足涤纶纤维纺丝油剂消泡的要求。

(4)作者所在课题组制备的消泡剂到天津石化公司聚酯部进行10t涤纶纤维纺丝油剂现场测试。实验结果表明,消泡剂的质量分数为0.01%时,就有较好的消泡和抑泡效果;并且其效果与小试结果基本相同,由此可以推广到其他含表面活性剂溶液的消泡抑泡,有很好的工业应用前景。