有机硅消泡剂：带来消泡性能的提升还是更多的风险？

从造纸原料开始至获得白浆的不同阶段（见图1），从左至右依次为：木片，蒸煮后的纸浆，洗后浆和漂白后的纸浆，整个过程的每个步骤都会消耗大量的水，并产生大量的泡沫。这些泡沫将干扰正常生产，使纸张质量下降……必须将其尽量减少。

图1 从造纸原料至获得白浆的各阶段的实物照片

用于消除泡沫问题的消泡剂（或止泡剂）对制浆厂的经营起着至关重要的作用。有机硅消泡剂对消除泡沫问题特别有效，并已显示出诸多好处，其中包括有助于实现工厂的可持续发展目标。

1 为什么选择有机硅？

有机硅指的是一类以无机硅氧烷为骨架的聚合物材料，由重复的Si—O单元组成（见图2）。它通过改变链长、三维结构以及与Si原子相连的有机基团的类型，代表了聚合物的无限可能，这也是其获得广泛应用的主要原因。

图2 有机基团R修饰的聚硅氧烷

用于消泡剂的硅油是一种具有高疏水性和极低表面张力的聚合物，是制造消泡剂的理想选择。一旦聚二甲基硅氧烷（PDMS）与疏水性颗粒（如沉淀物或气相二氧化硅）结合，就会形成一种效果更好的消泡剂（见图3）。

图3 （a）有机硅消泡剂液滴图示（图中分别标出了疏水性PDMS油和二氧化硅疏水性颗粒）；（b）消泡机理

为解决其他有机消泡剂性能较差的问题，于20世纪80年代在洗浆工艺流程中引入了有机硅消泡剂。有机硅消泡剂对高pH和高温的适应性使其广受欢迎，几乎在一夜之间，它们取代了当时所使用的其他解决方案。虽然有机硅在结构和性能上很简单，却为许多当今已在大多数工厂使用的高端消泡剂的研发奠定了基础。

然而，与任何创新一样，有机硅消泡剂也带来了新的问题和技术挑战，例如沉积、残留、乳化、用量、注入方式、耐久性（robustness）、结垢等风险。

2 沉积问题

由于有机硅具有疏水性，因此有机硅消泡剂对任何疏水性表面都具有很强的亲和力。液体的高pH和高温会促使有机硅化合物残留的活性官能团发生缩合，并有助于胶体的形成，这些胶体会在制浆厂机器的任何部位积聚形成沉积物。

分析研究发现，上述沉积物通常与钙树脂（calcium pitch）有关，沉积的发生取决于不同因素，其中包括有机硅消泡剂配方的化学性质。沉积是制浆厂关注的一个重要问题，因为它会给纤维生产线带来大量的清洗问题。

沉积的发生受到各种因素的影响，例如消泡剂的性质和配方组成，消泡剂乳液的质量、用量以及在生产过程中注入消泡剂的方式和位置。制浆厂可以通过以下措施来降低沉积发生的风险。

（1）减少消泡剂的用量。选择一种有效的消泡剂可以带来不一样的结果。据报道，制浆厂的沉积问题常常是由于消泡剂的性能无效或不合适的配料系统造成消泡剂过量使用所导致的。

（2）选择一种官能团（这些残留官能团可在碱性系统中进一步反应）残留水平极低的消泡剂。降低它们在碱性环境中的反应活性会大大降低沉积的风险。

（3）选择合适的配方组成。稳定的工艺和配方是提升有机硅消泡剂消泡性能的关键：为了更好地分散在起泡的黑液中，有机硅消泡剂必须进行乳化。

3 有机硅消泡剂的未来发展

消泡剂的“消泡性”、“持久性”和“耐久性”是制浆工业的关键参数。

消泡剂的“消泡性”衡量的是消泡剂如何快速有效地使系统中存在的泡沫破裂。消泡剂的“持久性”是衡量消泡剂在系统中保持活性的时间，并且可以预测消泡剂在生产过程中的用量和使用成本。消泡剂的“耐久性”表示在不同条件下的稳定性。

随着制浆和洗浆工艺及设备的变化，黑液的组成和起泡行为都会受到影响。已有研究表明，有机硅消泡剂的消泡性能在不同的体系之间存在很大的差异（见图4）。科研人员在研发一种新型消泡剂时，将不断致力于改善其消泡性和持久性。

图4 4种有机硅基消泡剂在硬木浆黑液和软木浆黑液中的消泡性能

消泡剂良好的滤水性是制浆企业对有机硅消泡剂的最新需求。“滤水性”代表用尽量少的水将纸浆中的黑液清洗干净的速度和便捷程度。良好的滤水性不仅可以改善控制泡沫的能力，而且能够显著提高清洗操作的有效性和可持续性。

滤水和脱水在许多工艺流程中都是很重要的方面，包括从固体物质的分散体中去除水分。选择合适的消泡剂可以显著提高滤水速度，更好更快地去除水分（排水），可以使固体纸浆更干净，减少后续干燥所需的能量（见图5）。

10年前已有研究评估了有机硅消泡剂对制浆和造纸行业可持续性以及碳平衡的积极影响。研究表明，有机硅消泡剂的使用在带来消泡性能提升的同时可以显著减少CO2的排放量。

图5 4种有机硅基消泡剂对纸浆滤水性的影响

对于制浆和造纸行业而言，有机硅消泡剂是一种可持续的、稳定的、可靠且高效的消泡剂。在不同的制浆厂中，它们可以提供出色的消泡性能，改善滤水性并提高耐久性。它们有助于减少水、能源和化学品的消耗，并且可以帮助回收有价值的化学品。有机硅消泡剂是制浆和造纸行业实现可持续发展的关键因素。