シリコン消泡剤とは
シリコン消泡剤とは、極めて低い表面張力を有しており、他の物質に溶けにくいことから優れた消泡硬化を持つ消泡剤です。
主な成分はポリシロキサンで、その特性からあらゆる物質、溶剤に対して不溶性または難溶性を示し、水との界面張力も小さいので水系・非水系の両方でごく少量で良好な消泡剤として機能します。
シリコン消泡剤の使用用途
シリコン消泡剤は、さまざまな分野で使用されています。具体的には、化学、石油、発酵、印刷、製紙、繊維、排水処理など、あらゆる工業分野で発生する泡の消泡です。無味無臭で毒性が極めて少ないことから、食品添加物としても使用されています
少量で消泡効果が高いこと以外に、幅広い温度で液状を保ったり、粘度以外は物性が大きく変化しなかったりするなどの特性をもちます。そのため、耐熱性や耐候性に優れており、過酷な条件下でも使用可能です。また、化学的・生理的に不活性かつ無味無臭です。
シリコン消泡剤の原理
液体中の泡は、液体内に混ざった気体が薄い液体の膜で覆われた状態で液体内に存在しています。この泡を包む膜は液体内の界面活性剤により形成されており、言い換えれば気体が界面活性剤よりなる膜にくるまれている状態です。すなわち、泡の表面 (ラメラと呼ばれる液層) では、空気側には界面活性剤の疎水基が、水中側に界面活性剤の親水基が並び気体を囲んで安定している構造です。
シリコン消泡剤は、この界面活性剤の分子の秩序を壊して消泡硬化を発揮します。泡の表面の粘性は、界面吸着物質同士の疑似的な橋掛け構造によるものです。シリコン消泡剤の表面張力は非常に小さく、これが泡の表面に付着すると泡表面の界面吸着物質を引き込み、泡の表面の疑似的な橋掛け構造を破壊して泡を分離し、泡の表面張力を大幅に低下させて消泡効果を発揮します。
また、界面活性剤にはマランゴニ効果と呼ばれる現象があり、これは表面の吸着密度に偏りがあると表面張力に勾配が生じ、薄くなった部分に再び界面活性剤が移動してくる現象です。この現象により界面活性剤層の弾性が保たれ泡が安定して存在可能です。しかしながら、シリコン消泡剤があると、界面活性剤層が分子間力の小さいシリコンに置換されて泡の表面が弾性を失い、消泡に至ります。
泡の中で内圧の高い小さい泡は、内圧の低い大きな泡に連続的に吸収されていく現象をガス拡散と呼びます。界面活性剤が存在している場合、ラメラ層のガス拡散速度は低下して泡が安定する状態です。しかし、泡表面の界面活性剤層の一部がシリコン消泡剤で置換されていると、シリコンはガス透過性が高いためガス拡散を促して消泡できます。
シリコン消泡剤の種類
シリコン消泡剤には、「オイル型」「オイルコンパウンド型」「自己乳化型」「エマルジョン型」「溶液型」「固形型」「粉体型」などがあり、消泡する対象により使い分けられています。
1. オイル型シリコン消泡剤
オイル型シリコン消泡剤は溶剤や添加物を含まない消泡剤です。ノンシリカであるため、水や溶剤の混入に適しない油性の発泡液に使用できます。
価格が安く、即効性や耐熱性ももちます。しかし、油浮きを起こすほど、油性成分が強力です。そのため、河川などへの排水用途は問題となる可能性があり、取り扱いに注意が必要です。
2. オイルコンパウンド型シリコン消泡剤
オイルコンパウンド型シリコン消泡剤は、シリコンオイルに粉末シリカ粉を配合したもので、シリコン樹脂のみで作られているため、シリコーン本来の特製を発揮します。油性、水性発泡液のどちらにも有効です。乳化剤が添加されていないため、そのままで水系発泡液に使用できません。
3. 自己乳化型シリコン消泡剤
自己乳化型シリコン消泡剤は、酸性とアルカリ性どちらに対して有効です。また、持続性も高く、幅広い用途に使用できます。他の消泡剤に比べて価格が高いことが欠点です。
4. エマルジョン型シリコン消泡剤
エマルジョン型シリコン消泡剤は、汎用的な水性発泡液用消法剤です。取り扱いが用意であり、安全性が高く、品種も多くあります。そのため、食品添加用や排水処理用として使用されます。
欠点としては、貯蔵条件に制限があります。高温発泡液、耐アルカリ性、耐酸性に弱いことも弱点です。
5. 溶液型シリコン消泡剤
溶液型シリコン消泡剤はシリコーンオイルを溶剤に溶かしているため、溶剤によりさまざまな機能性の付与が可能です。主に、油性の発泡液の消泡に使用されています。油性であれば、優れた効果を発揮しますが、水系発泡系に対しては効果が落ちることが欠点です。
6. 固形型・粉末型シリコン消泡剤
固形型・粉末型シリコン消泡剤は、シリコーンオイルを高吸油性の粉体や固体に吸着させて製造されます。これらは、貯蔵安定が良く、取り扱いが容易で作業性に優れます。また、水系発泡液に良く分散する効果がある一方で、水系以外の発泡液への使用が難しい消法剤です。
参考文献
https://www.silicone.jp/products/type/defoaming/index.shtml
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jos1956/42/10/42_10_762/_pdf
https://www.tetsutani.co.jp/wp-content/uploads/2015/12/23.pdf
http://cosmeseibun.web.fc2.com/cosme/mokuteki/mokuteki_034.html
https://www.is-chemi.co.jp/products/paintink/antifoam