赵建红

（广州市浪奇实业股份有限公司，广东 广州，510660）

工业清洗中使用大量表面活性剂产生的泡沫，对清洗有一定的帮助，但也给清洗操作带来了不良影响，如在喷淋、高压清洗时，泡沫过多会产生溢槽、夹带油污溢出地面，污染操作场地；增加漂洗难度，造成水电浪费，降低生产效率；如果无法彻底漂洗时也会影响产品品质，如精密电子清洗时，泡沫的残留会影响产品导电等性能；在纺织工业的染色、印花等工艺中，泡沫残留可能在成品布上形成斑痕；纸浆浆液中残留泡沫，会使成品纸出现空洞造

成质量下降等。因此，对泡沫控制是工业清洗产品开发的一个重要命题。目前工业清洗中对泡沫的控制主要有以下几个方向：选择低泡无泡型原料、添加消泡剂、应用配套的清洗工艺等。本文将从这三个方向论述低泡无泡型工业清洗剂的研究情况。

1 泡沫形成的原因及其消除机理

1.1 泡沫的形成与稳定性

泡沫是一种气体在液体或熔融固体中的分散体系。向含有表面活性剂的溶液送入气体或施以搅拌会产生气泡，在气泡的气—液界面，表面活性剂分子发生吸附，表活分子的疏水基伸入气泡亲水基伸入水中，形成单分子膜（图1）；当气泡在液体内部时，界面吸附层会阻碍气泡间的碰撞、合并。当吸附了表活分子的气泡因浮力上升至液面时，与溶液表面的表活分子吸附膜形成双分子膜（图2），之后充分排液形成稳定的泡沫（图3）。

图1

图2

图3

泡沫内外层的表活分子膜，提升了泡沫液膜的表面黏度和强度，并使液膜具有自修复作用，延缓液膜破裂时间，提高泡沫的稳定性。表活分子结构会直接影响液膜的性质进而影响泡沫稳定性。如碳链长度适中的表活分子，可依靠分子间力在液膜表面形成紧密的吸附层，提高液膜强度。如果表活分子的碳链太长，分子迁移速度慢，液膜自修复作用差，液膜刚性太强，缺乏弹性。离子型表活分子在液膜的两个表面产生静电斥力作用可提高泡沫稳定性。

1.2 泡沫的消除机理

如上所述，泡沫气——液界面的双分子膜使泡沫液膜具有一定的稳定性，泡沫的消除一般有下面几种作用方式：降低液膜强度与透气性。泡沫液膜强度高，排液速度慢；液膜透气性高，阻止泡内气体扩散，稳泡性强。

减低液膜局部表面张力。如加入消泡剂浸入气泡液膜（图4），替代了原液膜表面的表面活性剂，降低了此处表面张力，周围液膜表面张力高，产生收缩力使泡沫破裂。

图4 消泡剂消泡示意图

破坏界面膜弹性使液膜无法自修复。加入聚氧乙烯硅氧烷等表面张力极低的表活剂，当泡沫受到外力的扰动和冲击拉长时，液膜上分子浓度降低，因聚氧乙烯硅氧烷表面张力极低，其他表活剂无法迁移润湿此处补充恢复液膜，使液膜无法抵抗外力干扰自我修复，泡沫容易破裂。

加入固体颗粒，会吸附、转移泡沫液膜上的表面活性剂分子，达到消除泡沫的作用。

2 低泡无泡型工业清洗剂的研究

2.1 选取低泡无泡型原料

2.1.1 通过选料控制泡沫——低泡型表面活性剂复配

低泡表活剂具有如下一些结构特征：

(1) 表活分子的疏水基亲水基中呈枝叉型排列；如双亲水基表面活性剂、疏水链含双键的表活剂等。在泡沫液膜上形成的吸附膜排列不够紧致，提高了泡沫液膜的透气性，故这种表活分子在泡沫液膜上形成的稳定性差（见图5、图6）。

图5

图6

(2) 疏水基碳链太短，形成液膜表面黏度和强度较低，泡沫稳定性差。

(3) 非离子型表活剂不带电荷，液膜两个表面无法产生静电斥力作用，液膜在重力作用下易发生排液减薄。且其稳泡性差，泡沫低于阴离子表活剂（见图7）。

典型的低泡表面活性剂有以下几种：

(1) 脂肪醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚，其疏水亲水基团交错混合排列，空间相互阻碍，减弱了液膜的强度，泡沫液膜受外力干扰容易破裂，从而具有低泡特性。如巴斯夫公司的PE系列，广泛应用在催干剂、铝龙骨清洗中。

图7 非离子表面活性剂

(2) 支链、异构化表面活性剂，其溶液泡沫液膜紧密性低，不易形成稳定的泡沫。如巴斯夫LF系列。

(3) 双亲水基型表面活性剂：如2-辛烯基琥珀酸酐，其分子疏水基团碳链短，琥珀酸酐呈枝叉型、烯烃双键呈45o，泡沫分子膜排列不紧密，泡沫易破裂。可用于重金属清洗、手机屏清洗、太阳能硅片清洗。

低泡型表面活性剂在实际应用中存在一些难点，如碱性条件下难增溶，清洗力差，耐用性差等。可通过复配低泡氧化胺、磷酸酯、乙基己基硫酸钠、短碳链烷基糖苷或溶剂等，以帮助低泡表活剂在碱性条件下增溶，或采用乙醇胺有机碱替代无机碱，减低配方碱度。在一些场合下，可以考虑采用中性或酸性配方，配合强酸、溶剂、渗透剂进行配方开发，如酸性除蜡剂。可以通过选择润湿性佳、浊点偏低的低泡表活剂，通过浊点的控制，提升清洗力。复配环保溶剂也能帮助提升清洗力。

2.1.2 环保溶剂的应用

选用低沸点溶剂，当其蒸发时可使泡沫破裂。如直接向泡沫喷洒乙醇，可快速消泡。也可以考虑在配方体系中复配少量低表面张力的环保溶剂。虽然溶剂的加入会适度降低配方体系的表面张力，有助于发泡，但同时溶剂可增强配方的去污力，帮助减少表面活性剂用量，总体而言是降低了泡沫量。

2.1.3 选用非表面活性剂原料

泡沫问题的根本原因在于表面活性剂的使用。一些非表面活性剂原料如酸、碱、氧化剂、生物酶等原料起泡后，泡液黏度非常低，并且无法形成表活分子吸附膜，泡沫液膜无强度与弹性，无法形成稳定的泡沫，因此，具有无泡低泡性能。

同时这些原料也具有一定的清洁力而被广泛应用在工业清洗的各种场合中。如酸性原料，可溶解水垢、铁锈以及其他氧化物污垢；无机碱可皂化油污，使蛋白质水解或蓬松而去除；氧化剂可腐蚀、分解大分子有机物；生物酶可将污渍降解为水溶性的小分子物质；酸性络合助剂羟基乙叉二膦酸（HEDP），能与铁、铜、锌等多种金属离子形成稳定的络合物，能溶解金属表面的氧化物；高效螯合剂葡萄糖酸钠，可用于玻璃瓶清洗等。

非表面活性剂原料多数只能针对特殊场合发挥清洁力，清洗范围窄。进行配方开发时，可以考虑通过配备清洗设备如高压水枪、 高压喷淋等，以适应多种清洗需求。加入大量溶剂，制成半水基清洗剂，改善其渗透力。选用乳化力和分散力相对较好的助剂，如单乙醇胺、硅酸钠复配。在应用时，通过控制清洗过程中的关键指标，如监测游离碱/游离酸/有效氯含量等制定补充添加量和频率，保证清洁力。通过各种方式，在合适的应用场合下采用非表面活性剂开发相应的清洗剂。

2.2 消泡剂控制泡沫

2.2.1 有机硅消泡剂

有机硅消泡单元是固体二氧化硅微粒和聚二甲基硅氧烷。二氧化硅微粒是刺破泡沫的“针尖”，同时可吸附和转移液膜表面的表活分子，降低泡沫的稳定性。聚二甲基硅氧烷表面张力较低。它进入泡沫液膜后，替代了原液膜表面的表面活性剂，降低了此处表面张力，周围液膜表面张力高，产生收缩力使泡沫破裂。

有机硅消泡剂具有消泡速度快，效果好，用量少，成本低等优点。并且在有效保持高泡表活剂的高乳化力、清洁度、清洗量的同时实现低泡。但有机硅消泡剂也存在一些缺点。如二氧化硅在强碱、强酸和高温环境中易溶解，生成硅酸盐而失效。聚二甲基硅氧烷乳化体系受表面活性剂、pH、电解质等因素的影响易发生破乳而实效，耐用性差。破乳后硅油自聚，形成油滴漂浮在表面，可能在工件上产生硅斑。

有机硅消泡剂在应用时应注意选择合适的应用环境，相比阴离子配方体系，它更适合用于非离子配方体系。也要避免在pH过高或过低，电解质含量较高的环境下使用。有机硅的储存温度避免高于40℃或低于0℃。在使用时，可预先稀释有机硅消泡剂后再加入产品中，避免浓度差异过高导致破乳；优选在使用现场加入有机硅消泡剂。

2.2.2 金属皂消泡剂

利用洗涤过程中形成不溶于水的钙皂，提高体系CMC值，起到消泡、抑泡的作用。金属皂消泡剂具有原料易得、生产成本低、环保性好，配方兼容性好，具有消泡及抑泡效果等优点。

2.2.3 聚醚消泡剂

聚醚分子在低温下呈蜿曲型，与水分子形成氢键而溶解。温度升高时，分子热运动加剧，氢键被破坏，溶解度降低。温度高于浊点时，从水中析出以油滴形式存在，是性能优良的水系消泡剂。

2.2.4 消泡剂复配应用实例

通过自制阴离子型布草清洗剂，对比了不同类型的金属皂、有机硅、聚醚的消泡抑泡效果。从实验结果可见：金属皂消泡抑泡作用明显，有机硅消泡作用明显。几种类型的消泡剂复配可取得最优的抑泡、消泡作用（见图8～图11）。

表面活性剂的清洁是应用最广的化学清洁方式之一。要实现优良，高效的清洁力，应重视机械力、热能、超声波、电流等对化学清洗的强化作用。如：热能可以加速化学反应速度、溶解污垢，提高去污速率；电解除油是化学乳化、电极极化和气体剥离三重作用，效率大幅高于化学除油；增强压力是最有效，也是应用最广的一种清洁强化方式。

图8 金属皂的消泡实验结果

图9 聚醚消泡实验结果

图10 有机硅消泡实验结果

图11 不同类型消泡剂复配实验

在低泡无泡工业清洗剂的产品开发时，应针对不同的清洗对象，选择化学清洗剂与配套的清洗工艺达到最佳清洗效果。如采用刷辊高速旋转的机械作用，配合清洗液对带钢连续脱脂，比浸洗、喷洗、电解脱模清洗效率高、速度更快。采用电解法对碳钢镀锌前除油和积碳膜的清洗。由于电解释放的氢气均匀地使工件各处的油和积碳膜松动，除膜无死角，清洁彻底，尤其适用于复杂零件深凹处污垢，可弥补化学除油的不足等等。

[1] 陈旭骏.工业清洗剂及清洗技术[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[2] 梁自齐.功能性表面活性剂[C].北京:中国轻工业出版社, 2002.