有機硅消泡劑：帶來消泡性能的提升還是更多的風險？

從造紙原料開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，整個過程的每個步驟都會消耗大量的水，并產生大量的泡沫。這些泡沫將干擾正常生產，使紙張質量下降……必須將其盡量減少。

圖1 從造紙原料至獲得白漿的各階段的實物照片

用于消除泡沫問題的消泡劑（或止泡劑）對制漿廠的經營起著至關重要的作用。有機硅消泡劑對消除泡沫問題特別有效，并已顯示出諸多好處，其中包括有助于實現工廠的可持續發展目標。

1 為什么選擇有機硅？

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

圖2 有機基團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）結合，就會形成一種效果更好的消泡劑（見圖3）。

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

為解決其他有機消泡劑性能較差的問題，于20世紀80年代在洗漿工藝流程中引入了有機硅消泡劑。有機硅消泡劑對高pH和高溫的適應性使其廣受歡迎，幾乎在一夜之間，它們取代了當時所使用的其他解決方案。雖然有機硅在結構和性能上很簡單，卻為許多當今已在大多數工廠使用的高端消泡劑的研發奠定了基礎。

然而，與任何創新一樣，有機硅消泡劑也帶來了新的問題和技術挑戰，例如沉積、殘留、乳化、用量、注入方式、耐久性（robustness）、結垢等風險。

2 沉積問題

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

分析研究發現，上述沉積物通常與鈣樹脂（calcium pitch）有關，沉積的發生取決于不同因素，其中包括有機硅消泡劑配方的化學性質。沉積是制漿廠關注的一個重要問題，因為它會給纖維生產線帶來大量的清洗問題。

沉積的發生受到各種因素的影響，例如消泡劑的性質和配方組成，消泡劑乳液的質量、用量以及在生產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生的風險。

（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果。據報道，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造成消泡劑過量使用所導致的。

（2）選擇一種官能團（這些殘留官能團可在堿性系統中進一步反應）殘留水平極低的消泡劑。降低它們在堿性環境中的反應活性會大大降低沉積的風險。

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

3 有機硅消泡劑的未來發展

消泡劑的“消泡性”、“持久性”和“耐久性”是制漿工業的關鍵參數。

消泡劑的“消泡性”衡量的是消泡劑如何快速有效地使系統中存在的泡沫破裂。消泡劑的“持久性”是衡量消泡劑在系統中保持活性的時間，并且可以預測消泡劑在生產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定性。

隨著制漿和洗漿工藝及設備的變化，黑液的組成和起泡行為都會受到影響。已有研究表明，有機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）。科研人員在研發一種新型消泡劑時，將不斷致力于改善其消泡性和持久性。

圖4 4種有機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對有機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，減少后續干燥所需的能量（見圖5）。

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

圖5 4種有機硅基消泡劑對紙漿濾水性的影響

對于制漿和造紙行業而言，有機硅消泡劑是一種可持續的、穩定的、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、能源和化學品的消耗，并且可以幫助回收有價值的化學品。有機硅消泡劑是制漿和造紙行業實現可持續發展的關鍵因素。