在了解了泡沫的穩(wěn)定性后, 不難理解消泡劑的作用機理。因此一切能破壞使泡沫穩(wěn)定存在的因素的化學(xué)試劑均可作消泡劑。消泡劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同, 泡沫體系不同, 破壞泡沫穩(wěn)定性的著重點也不同。例如, 磷酸三丁酯通過降低液膜的表面粘度, 增加液膜的排液速度;乙醚、異戊醇和其他低表面張力消泡劑通過鋪展于液膜的界面上, 使鋪展處表面張力降低, 液膜內(nèi)的液體向高表面張力處牽引, 導(dǎo)致膜迅速變薄;而長鏈脂肪酸鈣破壞由十二烷基苯磺酸鈉或十二烷基磺酸鈉構(gòu)成的泡沫體系, 是通過鈣與磺酸生成鈣皂, 形成了“固體” 式脆性液膜。

化學(xué)消泡劑不管以何種方式破壞泡沫的穩(wěn)定性, 首先都必須自發(fā)進(jìn)入液膜內(nèi)并在界面上迅速鋪展、分散, 才能改變液膜的界面性能, 最終導(dǎo)致膜的破裂。

消泡劑液滴借助低表面張力的作用在液膜表面擴展成膜的過程, 稱為消泡劑在液膜上的鋪展。鋪展過程中體系自由能的減小稱為消泡劑在液膜上的鋪展系數(shù)S 。消泡劑的進(jìn)入是指其液滴穿過泡沫的氣液界面進(jìn)入液膜內(nèi)的過程, 該過程中體系自由能的減小稱為消泡劑的進(jìn)入系數(shù)E 。它們可由如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示:

E =γF +γFD -γD

S =γF -γFD-γD

其中:γF 為泡沫介質(zhì)的表面張力;γFD為消泡劑和泡沫介質(zhì)的界面張力;γD 為消泡劑的表面張力。

鋪展系數(shù)和進(jìn)入系數(shù)為正值, 表示消泡劑進(jìn)入液膜和在液膜表面鋪展是熱力學(xué)自發(fā)過程。因此,作為消泡劑的化學(xué)試劑應(yīng)具有低于泡沫介質(zhì)的表面張力和較低的界面張力。正的進(jìn)入系數(shù)還意味著泡沫介質(zhì)不能在消泡劑液滴表面鋪展。這是因為泡沫介質(zhì)在消泡劑表面的鋪展系數(shù):

SF(D)=γD -γFD -γF

將方程進(jìn)行變換得:

SF(D)=-(γFD +γF-γD)

此公式的右邊正好是消泡劑的進(jìn)入系數(shù)。

硅油由于表面張力低(常溫下約21mN/m), 分子間作用力小, 形成的液膜表面粘度低, 無電雙層斥力, 分子鏈親水性小, 空間位阻小(熵斥力小), 形成的液膜滲透性好, 因此是理想的消泡劑。但是它與水有很高的界面張力, 而與油體系的界面張力很低, 因此更適合于作非水體系的消泡劑。近些年來各國學(xué)者積極開發(fā)的水分散性硅油消泡劑, 是在聚二甲基硅氧烷分子鏈上接枝親水性的聚醚分子鏈得到的產(chǎn)物, 與普通硅油相比, 它與水介質(zhì)的界面張力低, 鋪展系數(shù)高, 消泡性能提高許多倍。

消泡劑在泡沫體系中的不溶解性很重要。如果低表面張力的消泡劑進(jìn)入液膜后被液膜內(nèi)的液體所溶解, 它將起穩(wěn)泡作用。當(dāng)泡沫體系中表面活性劑的濃度超過CMC 后, 消泡劑有可能被加溶, 以致失去在表面鋪展的作用, 消泡效率大減。只有當(dāng)表面鋪展速度大于加溶速度時, 消泡劑才能表現(xiàn)出較好的消泡效果, 但隨著時間的延長, 消泡劑逐漸被加溶, 消泡效果相應(yīng)減弱。

值得提出的是, 憎水顆粒如憎水硅石和聚四氟乙烯可以大大提高消泡劑在水泡沫體系中的消泡能力。這可能是由于加入憎水顆粒后出現(xiàn)了兩種消泡途徑:吸附和去潤濕。根據(jù)吸附機理, 憎水顆粒進(jìn)入氣液界面后, 顆粒表面吸附了泡沫體系的表面活性劑, 使液膜局部的表面活性劑被消耗, 產(chǎn)生了不穩(wěn)定性, 最終導(dǎo)致液膜的破裂。該機理成功地解釋了某些憎水顆粒的消泡效率隨時間的延長而消失, 含SiO2 顆粒的乳化硅油不具有長效性消泡效果的現(xiàn)象。如果吸附機理起作用, 則要求顆粒單位比表面的吸附能力越大越好, 顆粒憎水性的大小則影響不大。

在去潤濕機理中, 落于氣液界面上的憎水顆粒使泡沫溶液自發(fā)地從顆粒兩側(cè)移走, 在液膜中造成一個斷裂孔, 引發(fā)了液膜的破裂。憎水顆粒在去潤濕過程中不吸附泡沫體系的表面活性劑, 在一瓣液膜上去潤濕后不失效, 能進(jìn)入鄰近液膜繼續(xù)去潤濕。從去潤濕機理可知:憎水顆粒的憎水性很重要, 顆粒直徑應(yīng)與液膜厚度同數(shù)量級并稍大;表面活性劑溶液與憎水顆粒的接觸應(yīng)大于某一臨界(取決于顆粒的形狀和接觸方向, 顆粒越不規(guī)則越有利于去潤濕作用的發(fā)生);憎水顆粒的表面應(yīng)是流線形的, 以便在去潤濕時與表面活性劑溶液的接觸面能很快地在整個表面上伸展開來。

總之, 作為消泡劑的化學(xué)試劑必須符合如下條件:表面張力低于泡沫介質(zhì);不溶于泡沫介質(zhì);能自發(fā)進(jìn)入氣液界面并迅速鋪展于液膜表面, 并且具有化學(xué)惰性, 對產(chǎn)品和設(shè)備無不利影響;成本合理, 供貨穩(wěn)定;毒性小, 不會造成環(huán)境污染, 符合所應(yīng)用領(lǐng)域的各種規(guī)定。