有機(jī)硅消泡劑：帶來消泡性能的提升還是更多的風(fēng)險(xiǎn)？

從造紙?jiān)祥_始至獲得白漿的不同階段（見圖1），從左至右依次為：木片，蒸煮后的紙漿，洗后漿和漂白后的紙漿，整個(gè)過程的每個(gè)步驟都會(huì)消耗大量的水，并產(chǎn)生大量的泡沫。這些泡沫將干擾正常生產(chǎn)，使紙張質(zhì)量下降……必須將其盡量減少。

圖1 從造紙?jiān)现莲@得白漿的各階段的實(shí)物照片

用于消除泡沫問題的消泡劑（或止泡劑）對(duì)制漿廠的經(jīng)營起著至關(guān)重要的作用。有機(jī)硅消泡劑對(duì)消除泡沫問題特別有效，并已顯示出諸多好處，其中包括有助于實(shí)現(xiàn)工廠的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1 為什么選擇有機(jī)硅？

有機(jī)硅指的是一類以無機(jī)硅氧烷為骨架的聚合物材料，由重復(fù)的Si—O單元組成（見圖2）。它通過改變鏈長、三維結(jié)構(gòu)以及與Si原子相連的有機(jī)基團(tuán)的類型，代表了聚合物的無限可能，這也是其獲得廣泛應(yīng)用的主要原因。

圖2 有機(jī)基團(tuán)R修飾的聚硅氧烷

用于消泡劑的硅油是一種具有高疏水性和極低表面張力的聚合物，是制造消泡劑的理想選擇。一旦聚二甲基硅氧烷（PDMS）與疏水性顆粒（如沉淀物或氣相二氧化硅）結(jié)合，就會(huì)形成一種效果更好的消泡劑（見圖3）。

圖3 （a）有機(jī)硅消泡劑液滴圖示（圖中分別標(biāo)出了疏水性PDMS油和二氧化硅疏水性顆粒）；（b）消泡機(jī)理

為解決其他有機(jī)消泡劑性能較差的問題，于20世紀(jì)80年代在洗漿工藝流程中引入了有機(jī)硅消泡劑。有機(jī)硅消泡劑對(duì)高pH和高溫的適應(yīng)性使其廣受歡迎，幾乎在一夜之間，它們?nèi)〈水?dāng)時(shí)所使用的其他解決方案。雖然有機(jī)硅在結(jié)構(gòu)和性能上很簡單，卻為許多當(dāng)今已在大多數(shù)工廠使用的高端消泡劑的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

然而，與任何創(chuàng)新一樣，有機(jī)硅消泡劑也帶來了新的問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，例如沉積、殘留、乳化、用量、注入方式、耐久性（robustness）、結(jié)垢等風(fēng)險(xiǎn)。

2 沉積問題

由于有機(jī)硅具有疏水性，因此有機(jī)硅消泡劑對(duì)任何疏水性表面都具有很強(qiáng)的親和力。液體的高pH和高溫會(huì)促使有機(jī)硅化合物殘留的活性官能團(tuán)發(fā)生縮合，并有助于膠體的形成，這些膠體會(huì)在制漿廠機(jī)器的任何部位積聚形成沉積物。

分析研究發(fā)現(xiàn)，上述沉積物通常與鈣樹脂（calcium pitch）有關(guān)，沉積的發(fā)生取決于不同因素，其中包括有機(jī)硅消泡劑配方的化學(xué)性質(zhì)。沉積是制漿廠關(guān)注的一個(gè)重要問題，因?yàn)樗鼤?huì)給纖維生產(chǎn)線帶來大量的清洗問題。

沉積的發(fā)生受到各種因素的影響，例如消泡劑的性質(zhì)和配方組成，消泡劑乳液的質(zhì)量、用量以及在生產(chǎn)過程中注入消泡劑的方式和位置。制漿廠可以通過以下措施來降低沉積發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（1）減少消泡劑的用量。選擇一種有效的消泡劑可以帶來不一樣的結(jié)果。據(jù)報(bào)道，制漿廠的沉積問題常常是由于消泡劑的性能無效或不合適的配料系統(tǒng)造成消泡劑過量使用所導(dǎo)致的。

（2）選擇一種官能團(tuán)（這些殘留官能團(tuán)可在堿性系統(tǒng)中進(jìn)一步反應(yīng)）殘留水平極低的消泡劑。降低它們?cè)趬A性環(huán)境中的反應(yīng)活性會(huì)大大降低沉積的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）選擇合適的配方組成。穩(wěn)定的工藝和配方是提升有機(jī)硅消泡劑消泡性能的關(guān)鍵：為了更好地分散在起泡的黑液中，有機(jī)硅消泡劑必須進(jìn)行乳化。

3 有機(jī)硅消泡劑的未來發(fā)展

消泡劑的“消泡性”、“持久性”和“耐久性”是制漿工業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)。

消泡劑的“消泡性”衡量的是消泡劑如何快速有效地使系統(tǒng)中存在的泡沫破裂。消泡劑的“持久性”是衡量消泡劑在系統(tǒng)中保持活性的時(shí)間，并且可以預(yù)測(cè)消泡劑在生產(chǎn)過程中的用量和使用成本。消泡劑的“耐久性”表示在不同條件下的穩(wěn)定性。

隨著制漿和洗漿工藝及設(shè)備的變化，黑液的組成和起泡行為都會(huì)受到影響。已有研究表明，有機(jī)硅消泡劑的消泡性能在不同的體系之間存在很大的差異（見圖4）。科研人員在研發(fā)一種新型消泡劑時(shí)，將不斷致力于改善其消泡性和持久性。

圖4 4種有機(jī)硅基消泡劑在硬木漿黑液和軟木漿黑液中的消泡性能

消泡劑良好的濾水性是制漿企業(yè)對(duì)有機(jī)硅消泡劑的最新需求。“濾水性”代表用盡量少的水將紙漿中的黑液清洗干凈的速度和便捷程度。良好的濾水性不僅可以改善控制泡沫的能力，而且能夠顯著提高清洗操作的有效性和可持續(xù)性。

濾水和脫水在許多工藝流程中都是很重要的方面，包括從固體物質(zhì)的分散體中去除水分。選擇合適的消泡劑可以顯著提高濾水速度，更好更快地去除水分（排水），可以使固體紙漿更干凈，減少后續(xù)干燥所需的能量（見圖5）。

10年前已有研究評(píng)估了有機(jī)硅消泡劑對(duì)制漿和造紙行業(yè)可持續(xù)性以及碳平衡的積極影響。研究表明，有機(jī)硅消泡劑的使用在帶來消泡性能提升的同時(shí)可以顯著減少CO2的排放量。

圖5 4種有機(jī)硅基消泡劑對(duì)紙漿濾水性的影響

對(duì)于制漿和造紙行業(yè)而言，有機(jī)硅消泡劑是一種可持續(xù)的、穩(wěn)定的、可靠且高效的消泡劑。在不同的制漿廠中，它們可以提供出色的消泡性能，改善濾水性并提高耐久性。它們有助于減少水、能源和化學(xué)品的消耗，并且可以幫助回收有價(jià)值的化學(xué)品。有機(jī)硅消泡劑是制漿和造紙行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。