非離子表面活性劑在成孔劑水洗工藝中的應(yīng)用

蘇火煌，陳建福，陳藝敏

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非離子表面活性劑在成孔劑水洗工藝中的應(yīng)用

蘇火煌，陳建福，陳藝敏

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物工程系，福建 漳州 363000）

分別以非離子表面活性劑的種類、水洗的溫度、非離子表面活性劑的含量、試樣與非離子表面活性劑水溶液的質(zhì)量比以及換水頻率作為影響因素，考察對成孔劑（尿素）水洗工藝的影響。試驗結(jié)果表明，非離子表面活性劑AEO-5的水洗效果較好，在水洗溫度為60℃，AEO-5水溶液的含量為0.3%，換水頻率為1/3 h-1，試樣與AEO-5水溶液的質(zhì)量比為1 : 10時，水洗48h后，尿素基本上全部溶出。

成孔劑；水洗工藝；非離子表面活性劑

表面活性劑是具有降低表面張力、界面張力的能力和效率的兩親性物質(zhì)，可以溶解在極性溶劑和非極性的油相中，具有分散、乳化、增溶、起泡與消泡、洗滌、潤濕等多方面的功能，廣泛用作潤濕劑、滲透劑、發(fā)泡劑、分散劑、洗滌劑和清洗劑等[1]。表面活性劑溶于水時，凡能離解成離子的叫做離子型表面活性劑，凡不能離解成離子的叫做非離子型表面活性劑。非離子型表面活性劑大多具有良好的乳化、潤濕、滲透性能，以及起泡、洗滌、穩(wěn)泡、抗靜電等作用，且無毒。其親水基主要是由具有一定數(shù)量的含氧基團構(gòu)成。由于在溶液中不是離子狀態(tài)，所以其穩(wěn)定性高，不易受強電解質(zhì)、無機鹽類存在的影響，也不易受酸堿的影響。非離子表面活性劑在水及有機溶劑中皆有良好的溶解性能。由于在溶液中不電離，故在一般固體表面上亦不易發(fā)生強烈吸附。

硅泡沫材料具有許多其它泡沫材料無可比擬的優(yōu)良性能，在航空、宇航、電氣、電子、電器、化工、儀表、汽車、機械等工業(yè)以及醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活的各個領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用[2, 3]。通常，制備硅泡沫材料主要有化學(xué)發(fā)泡法和物理成孔法（即溶析成孔法）這兩種方法。物理成孔法主要是通過加入惰性成份（多為無機鹽和小分子易溶有機物，如尿素等），然后再通過溶劑（如水等）將惰性成分移出而形成開孔結(jié)構(gòu)[4, 5]。

水洗是用水將成孔劑溶析出來。傳統(tǒng)的方法一般采用提高水洗溫度、加快換水頻率等來提高成孔劑的溶析速度，但存在著能耗大、時間長等缺點。目前，能源短缺已成為我國經(jīng)濟社會發(fā)展的一個“軟肋”，而建設(shè)節(jié)約型社會是我國現(xiàn)今發(fā)展的方向，傳統(tǒng)的水洗方法顯然不適合當(dāng)前的發(fā)展形勢。本研究將非離子表面活性劑引入到硅泡沫成孔劑的水洗工藝中，利用非離子表面活性劑獨特的兩親性分子結(jié)構(gòu)來提高成孔劑的溶析速度，同時通過考察不同因素的影響，來獲得較佳的水洗工藝條件，在提高成孔劑溶析速度的同時，達到降低能耗，減少水洗時間的目的，為硅泡沫的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

AEO-5（化學(xué)純，江蘇四新界面劑科技有限公司）；

AEO-9（化學(xué)純，江蘇四新界面劑科技有限公司）；

OP-10（化學(xué)純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；

硅泡沫試樣（物理成孔法制備，成孔劑為尿素，未水洗，尿素含量約為30%）。

1.2 儀器

HH-4智能數(shù)顯恒溫水浴鍋，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；

DHG-9243BS-Ⅲ電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；

BS 124S電子分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 水洗稱重法測定硅泡沫試樣中尿素的含量

將硅泡沫試樣編號后置于去離子水中進行浸泡，并且使試樣完全浸沒在水中。在經(jīng)過多次的浸泡和沖洗后，將試樣放入烘箱在85 ℃下進行干燥。在試樣充分干燥、冷卻后再稱重。重復(fù)上述的步驟多次，直到當(dāng)烘干后的硅泡沫的表面不再有尿素析出，而且最后兩次試樣在干燥后的重量變化在0.001 g以內(nèi)時，則可以認為尿素基本上已經(jīng)全部溶出，再根據(jù)下面的式子計算硅泡沫中尿素的含量：

式中：1, i－試樣未水洗前的質(zhì)量，= 1，……，；2, i－試樣水洗完全后的質(zhì)量；w－試樣中尿素的含量；0－硅泡沫中尿素的含量。

按式（1）、（2）計算，得到試樣中尿素的含量為31.07 %。故用水洗稱重法是較為準確的。

1.3.2 不同表面活性劑的水洗試驗

分別配制質(zhì)量分數(shù)為0.1 %的表面活性劑AEO-5、AEO-9、OP-10的水溶液，與去離子水同時對硅泡沫試樣進行水洗，并對比它們的水洗效果，以選擇效果最好的表面活性劑進行后續(xù)的試驗。在室溫下，分別用這三種表面活性劑的水溶液和去離子水對試樣進行浸泡，試樣與溶液的質(zhì)量比為1 : 20，每隔2 h換水一次。將試樣水洗一定的時間后，放入烘箱在85 ℃下進行干燥，在試樣充分干燥、冷卻后再稱重，根據(jù)式（3）計算尿素的溶出率：

式中：0－未水洗前硅泡沫的質(zhì)量；m－第次干燥后硅泡沫的質(zhì)量；v－第次水洗完后尿素總的溶出率。

2 實驗結(jié)果

2.1 不同表面活性劑對水洗效果的影響

采用物理成孔法制備的泡沫材料需要用水洗的方法除去成孔劑。因此，選擇的表面活性劑必須要能夠溶解于水。此外，所選擇的表面活性劑在水中的穩(wěn)定性應(yīng)比較高，且在固體表面應(yīng)不發(fā)生吸附，以方便最后的清除。而非離子表面活性劑在水中不發(fā)生電離，穩(wěn)定性高，不易受無機鹽及酸堿的影響，能與水完全混溶，且在固體表面不易吸附，用清水浸泡，并且用流水沖洗便可去除。所以，在本研究中選擇了AEO-5、AEO-9和OP-10這三種非離子型表面活性劑來進行水洗試驗。

分別用質(zhì)量分數(shù)為0.1 %的OP-10、AEO-5、AEO-9的水溶液以及去離子水在常溫下對硅泡沫試樣進行水洗，根據(jù)式（3）計算水洗相同時間后尿素的溶出率，再以水洗時間為橫坐標，以尿素的溶出率為縱坐標，得到尿素溶出率與水洗時間的關(guān)系圖，具體見圖1。

圖1 不同水溶液的水洗效果

從圖1可以看出，在水洗初期，由于硅泡沫試樣中尿素的含量較多，尿素的溶出速率都比較快，四種溶液水洗的效果差距不大。隨著水洗時間的逐漸延長，硅泡沫中尿素的含量越來越少，尿素的溶出速率也隨之減慢。其中，用去離子水進行水洗時，尿素的溶出速率減慢的最快，要將尿素溶析出來也越來越困難。反觀OP-10、AEO-5、AEO-9這三種非離子型表面活性劑水溶液的水洗效果，雖然尿素的溶出速率也在減慢，但與去離子水相比，仍較易將尿素溶析出來，這表明將非離子型表面活性劑引入到尿素的水洗工藝中可以提高水洗效果。此外，OP-10、AEO-5、AEO-9這三種非離子型表面活性劑不易與固體吸附，只起到一種將水帶入到硅泡沫內(nèi)部的作用，并不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。試樣在水洗并充分干燥后，通過觀察，沒有發(fā)現(xiàn)使用非離子表面活性劑會對硅泡沫的表觀質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。因此，將非離子表面活性劑引入到尿素的水洗工藝是可行的。

由圖1容易看出AEO-5的水洗效果最好。AEO-5和AEO-9都屬于脂肪醇聚氧乙烯醚，這一類的非離子表面活性劑的生物降解性能較好，對環(huán)境友好，且對人體的健康不會造成危害。OP-10則屬于烷基酚聚氧乙烯醚類，生物降解性差，存在潛在的環(huán)境危害。近年來，出于對環(huán)保以及生物安全性的需要，開發(fā)和使用環(huán)境友好的表面活性劑日益受到世界各國的重視，節(jié)能、環(huán)保、節(jié)省資源是表面活性劑應(yīng)用的主要方向。因此，綜合考慮，確定選擇使用AEO-5來對成孔劑尿素的水洗工藝進行改進。

2.2 水洗工藝的優(yōu)化

在確定選擇水洗效果最好的非離子型表面活性劑AEO-5的基礎(chǔ)上，采用正交表L9（34）進行正交試驗，考察水洗溫度、AEO-5的含量、試樣與AEO-5水溶液的質(zhì)量比以及換水頻率對尿素水洗效果的影響。根據(jù)式（3）計算水洗24 h后尿素總的溶出率，具體的計算結(jié)果見表1。以尿素最終的溶出率為指標，從表1可以看到，第1號試驗A1B1C1D1是9次試驗中最佳的工藝條件。

以尿素最終的溶出率為指標，對正交試驗結(jié)果進行分析，如表2所示。根據(jù)表2中R的大小順序，得到各因素的主次順序為：C > A > D > B，較佳的水洗工藝條件為C1A1D1B2，即：水洗溫度60 ℃，AEO-5的含量0.3 %，換水頻率1/3 h-1，試樣與AEO-5水溶液的質(zhì)量比1:10。

從分析結(jié)果可以看到，換水頻率、試樣與溶液的質(zhì)量比對水洗的效果影響相對較小，不是影響尿素溶出率的主要因素。水洗溫度和非離子表面活性劑AEO-5的含量對水洗效果有著較大影響，且溫度對尿素溶出率的影響最大，升高溫度有利于尿素的溶析，可提高尿素的溶出速率，大幅度地提高水洗的效果。但隨著溫度的升高，所需的能耗也相應(yīng)增大，溫度越高，能耗越大。此外，非離子型表面活性劑在水中的溶解度會隨著溫度的升高而降低，溫度過高反而不利于AEO-5在水中的溶解。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水洗溫度60 ℃時，在水洗24 h，尿素的溶出率可達到85 %以上，水洗效果較好。所以，在保證有較好水洗效果的前提下，并考慮降低能耗的目的，確定水洗溫度為60 ℃。

表1 正交試驗結(jié)果

表2 正交試驗結(jié)果分析表

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，在水洗溫度60℃，AEO-5的含量0.3 %，換水頻率1/3 h-1，試樣與AEO-5水溶液的質(zhì)量比1:10的工藝條件下對硅泡沫試樣進行水洗。水洗48 h后，硅泡沫試樣中的尿素基本上已經(jīng)全部溶出，溶出率達到99 %。

3 結(jié) 論

將非離子表面活性劑引入到硅泡沫成孔劑的水洗工藝中，可以有效的提高成孔劑的溶析速率，降低了能耗，減少了水洗的時間，對硅泡沫的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的參考，主要結(jié)論有：

（1）AEO-5比OP-10和AEO-9的水洗效果好；

（2）在水洗溫度為60 ℃，AEO-5含量為0.3 %，換水頻率為1/3 h-1，試樣與AEO-5水溶液的質(zhì)量比1:10的工藝條件下，水洗48 h后，成孔劑尿素基本上已經(jīng)全部溶出，溶出率達到99 %。

[1] 劉彩娟. 表面活性劑的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 河北化工，2007，30(4):20-21．

[2] Rabe J A，Spells S，Rash D M，et al．Evaluation of silicone foam for flat plate solar collector insulation[J]. Solar Energy Materials，1981，4(2):159-168．

[3] 李穎，張廣成，李洪春，等. 有機硅泡沫材料的制備與性能[J]. 宇航材料工藝，2006，36(3):4-9．

[4] 胡義，姚國萍. 用物理發(fā)泡劑制備韌性泡沫硅橡膠[J]. 有機硅材料，2000，14(1):11-14．

[5] 劉道龍，劉鵬波，徐聞. 開孔型泡沫硅橡膠材料的制備及力學(xué)性能研究[J]. 塑料工業(yè)，2006(34):98-99，102．

Apply of non-ionic surfactant in the elution technology of pore-forming agent

SU Huo-huang, CHEN Jian-fu, CHEN Yi-min

(Foods and biology engineering department, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou, 363000, China)

The effects of different non-ionic surfactant, elution temperature, surfactant contents, the mass ratio of sample to surfactant aqueous solution and the frequency of renewing water on the elution technology of pore-forming agent, urea, were studied. The study indicated that result of AEO-5 was the best. The best elution technology obtained by experiments was 1 : 10, 0.3 %, 1/3h-1and 60 ℃ for the mass ratio of sample to AEO-5 aqueous solution, AEO-5 contents, frequency of renewing water and elution temperature, respectively. Under the conditions, urea was eluted completely after 48 h.

pore-forming agent; elution technology; non-ionic surfactant

TQ423.2

A

1673-1417（2013）03-0007-05

2013－07－25

蘇火煌（1985－），男，福建晉江人，助教，碩士研究生，從事化學(xué)工程與技術(shù)的教學(xué)及科研工作。

（責(zé)任編輯：季平）