抗泡剂对润滑油中空气释放的阻碍作用

《Journal of Colloid and Interface Science》：Antifoam hindrance of air release in lubricating oils

硅基抗泡剂通过附着形成尾滞死层阻碍气泡释放，实验发现含抗泡剂润滑油中气泡速度随浓度升高呈现渐近性减速，建立两阶段碰撞-附着模型解释此现象，并定量关联抗泡剂浓度与空气释放受阻程度。

　　

陈贤贤（Chenxian Xu）| 卢卡斯·维特科夫斯基（?ukasz Witkowski）| 苏珊娜·G.K. 卡尔霍恩（Suzanne G.K. Calhoun）| 埃里克·B. 莫克（Eric B. Mock）| 扬·扎瓦拉（Jan Zawala）| 杰拉尔德·G. 富勒（Gerald G. Fuller）

斯坦福大学化学工程系，美国加利福尼亚州斯坦福市

摘要

假设

润滑油中的空气夹带现象是由于小气泡被困在油体内所致，如果不予处理，这可能会降低润滑油的性能。基于硅的消泡添加剂可以抑制泡沫的形成，但可能会阻碍空气从油体中释放出来。消泡剂分子可能会不可逆地附着在上升气泡的表面，形成后部的静止层，从而固定气泡表面，导致空气释放受阻。

实验

在润滑油柱中生成单个气泡，并在Re 研究结果 首次证明了消泡剂会导致润滑油中单个气泡的减速，从而解释了长期以来关于空气释放受阻的难题。与主要由表面活性剂吸附和马兰戈尼应力（Marangoni stress）引起的减速不同，消泡剂引起的减速在速度分布上表现出明显的渐近趋势。基于消泡剂附着和后部静止层的逐渐增长，建立了一个新的两阶段碰撞-附着模型，该模型能够捕捉实验中观察到的渐近减速现象。该模型得出的衰减时间尺度随消泡剂浓度的增加而减小，直接量化了消泡剂添加剂对空气释放的阻碍作用。

引言

润滑油被广泛用于减少摩擦并保护机械部件免受磨损、腐蚀和过热的影响，其性能一直是研究的活跃领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。当溶解的空气释放或移动机械部件之间的复杂流动导致油体内形成毫米级的小气泡时，就会发生空气夹带现象[7]、[8]。如果不进行适当的处理，由于润滑油的粘度，这些分散在油体内的气泡会停留很长时间，从而降低其性能[7]、[8]、[9]。此外，当气泡密集堆积时，润滑油中会形成泡沫，可能导致润滑系统出现溢出等问题[4]、[10]、[11]、[12]。为了抑制泡沫的形成，通常会将消泡剂（通常以微米级液滴或颗粒的形式存在）混入润滑油中，因为当消泡剂颗粒或液滴被泡沫膜捕获时，泡沫膜的破裂效果会增强[11]、[13]、[14]。然而，在20世纪80年代初，Fowle[15]评估了消泡添加剂对充气润滑油中空气释放速率的影响。令人惊讶的是，研究发现基于硅的消泡添加剂会延长气泡的停留时间，从而阻碍空气从润滑油中释放。工业上开发了一种标准化测试方法ASTM D3427，通过向润滑油中高速通入空气来生成气泡分散体，并追踪其平均密度[16]。通过ASTM D3427测试，我们观察到了基于硅的消泡剂颗粒的稳定效应（见补充信息中的图S1）。 尽管距离Fowle的研究已经过去了四十年，但消泡剂引起稳定效应的机制在文献中仍不明确。理解这一机制对于帮助工业界开发能够快速释放空气的润滑油非常重要，以避免诸如油氧化、液压系统响应不佳、因润滑性降低导致的部件磨损以及气蚀等问题，同时保持良好的泡沫控制效果。这一长期存在的挑战在工业界广为人知。然而，大多数先前的研究都集中在整体性质对空气夹带的影响上[17]。为了更广泛地开发具有所需充气性能的系统，系统研究消泡剂如何影响润滑油中上升的单个气泡（包括它们对气泡界面移动性的影响）是非常有价值的，这也是本研究的目的。 研究水溶液中气泡减速现象对于控制和优化许多工业过程（包括浮选、石油回收、蒸馏和化学反应[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]）至关重要。当周围的水介质含有表面活性物质（SASs）时，上升气泡会减速，因为SASs会吸附或附着在气液界面上，从而降低界面移动性。在所有类型的SASs中，根据SASs与上升气泡气液界面的相互作用方式，已经建立了两种不同的机制。 在含有表面活性剂分子或蛋白质等大分子的水溶液中，上升气泡会因气泡表面形成不均匀的吸附层（称为动态吸附层DALs[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]）而减速。DALs的形成是一个受吸附剂吸附和解吸动力学以及雷诺数（Reynolds number）、佩克莱特数（Peclet number）和马兰戈尼数（Marangoni number）等无量纲数控制的物理化学过程[23]、[24]、[32]、[33]。在上升气泡上形成DALs的过程中，会在气泡的顶部和后部产生一个由运动引起的吸附剂浓度梯度。吸附剂从顶部逐渐减少，在后部达到饱和状态。由表面浓度梯度引起的马兰戈尼应力降低了界面移动性，导致后部静止层（RSC）的形成和气泡减速。通过对自由上升的单个气泡进行实验表征，研究了水溶液中气泡减速的现象。上升气泡的局部速度分布（LVPs）显示了气泡上升速度与气泡位置之间的瞬时关系，用于证明DALs的形成和发展[23]、[24]、[27]、[28]、[29]、[31]。 在含有悬浮固体颗粒或油滴的水介质中，上升气泡会通过一种特殊的加载机制被颗粒/油滴覆盖[18]、[20]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。由于重力和周围流动的作用，颗粒/油滴在气泡的后部聚集，从而降低界面移动性，减缓气泡的上升速度[18]、[36]。被覆盖的表面积比例取决于颗粒/油滴的自由表面能以及气泡与悬浮颗粒/油滴之间的分子间和表面力[20]、[39]。许多实验研究了颗粒/油滴悬浮液中的气泡上升现象，大多数研究关注的是气泡的终端速度和覆盖率，因为这些应用与矿物/石油回收有关[18]。通过将颗粒/油滴强制加载到气泡上，可以观察到颗粒/油滴的轨迹，因为在这些应用中颗粒/油滴的大小在微米到毫米级别[36]、[40]。然而，气泡速度和界面移动性的瞬态演变，以及颗粒附着、表面覆盖和流体动力边界条件之间的机制联系，仍然很大程度上尚未被探索。 在这项研究中，我们假设润滑油中空气释放受阻的效应是由消泡剂颗粒附着在气泡表面并导致气泡减速所引起的。然而，将这一现象直接类比于水系统中减速的气泡是不现实的，因为油基系统的物理和化学性质与水系统有很大不同。鉴于基于硅的消泡剂颗粒和基础油的折射率相似，且消泡剂颗粒尺寸微小，直接成像观察消泡剂-气泡相互作用是具有挑战性的。在这项研究中，我们在润滑油柱中生成了单个气泡，并追踪它们的运动以形成LVPs。通过比较润滑油和水系统获得的LVPs，揭示了润滑油中气泡速度的独特时间演变，为不同的减速机制提供了有力证据。结合界面质量传递和气泡周围的斯托克斯流动（Stokes flow），提出了一个新的两阶段碰撞-附着模型来阐明润滑油中的减速机制。该模型得出的衰减时间尺度随消泡剂浓度的增加而减小，直接量化了消泡剂添加剂对空气释放的阻碍作用。

油样

在这项研究中，润滑油样品由Lubrizol公司提供。这些样品由86%的基础油（IV组，Synfluid PAO4，Chevron Phillips Chemical）和包含基于硅的消泡剂的添加剂包组成。制造商报告称，消泡剂（Element14 PDMS 30 K-J，Momentive Performance Materials）的密度和运动粘度分别为ρ_a = 0.97 g/mL和υ_a = 30,000 mm2/s。

润滑油中气泡的形成和初始加速

为了评估消泡剂对润滑油中气泡运动的影响，通过将空气泵入玻璃毛细管中生成单个气泡，然后将其释放到含有不同消泡剂浓度（ω(AF) = 0–600 mg/kg）的润滑油柱中。记录了这些气泡在柱中上升的形状和尺寸变化，形成视频和快照。图2a显示了刚从玻璃毛细管中释放出来的气泡的叠加快照。

结论

与传统的基于硅的消泡剂导致润滑油中空气释放受阻的表征方法[15]、[17]相比，本研究首次确定了阻碍机制，即通过消泡剂颗粒附着在气泡表面导致的气泡减速来稳定气泡。大多数现有的关于颗粒/油滴附着引起的气泡减速的研究主要集中在终端速度和有效...

CRediT作者贡献声明

陈贤贤（Chenxian Xu）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。 卢卡斯·维特科夫斯基（?ukasz Witkowski）：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件使用、调查、正式分析。 苏珊娜·G.K. 卡尔霍恩（Suzanne G.K. Calhoun）：撰写 – 审稿与编辑、可视化、调查。 埃里克·B. 莫克（Eric B. Mock）：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、调查、资金筹集、数据管理、概念化。 扬·扎瓦拉（Jan Zawala）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了Lubrizol公司的财政支持。