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    技術文章
    消泡劑簡介
    2020/8/15 12:25:30

    不言而喻,氣泡在涂料體系中是不受歡迎的,之所以如此,是因為氣泡會造成漆膜的不連續性、降低漆膜性能、影響漆膜外觀、并對涂料生產的諸過程如顏料研磨、調漆、混合及產品包裝等產生不良影響。因此,如何有效地消除氣泡,是涂料技術人員,特別是水性涂料技術人員必須要面對的問題。

    1、涂料中氣泡的來源

    涂料中的氣泡有兩個來源,一是體系之外,另一是體系之內。

    -          來自體系之外的氣泡:

    來自體系之外的氣泡主要是來自空氣和多孔基材的孔隙。

    空氣會在涂料生產和施工過程中被引入到體系中。涂料生產過程中的顏料研磨、調漆、混合無疑會引入空氣;另外,涂料的施工過程,特別是刷涂、滾涂也會將空氣帶入到漆膜中。來自空氣中的氣泡是涂料氣泡的最主要來源。

    當涂料施工在多孔基材表面,如木材、混凝土等,基材孔隙中的空氣會因濕膜的潤濕滲透而被排出而進入到漆膜中,形成氣泡。

     

    -          來自體系之內的氣泡:

        來自體系之內的氣泡主要是體系中的成分相互之間發生化學反應而產生的氣體,一般是交聯固化性體系會有此種情形。

     

    2、涂料中的氣泡為什么會獲得穩定化而不易自行破滅

    為了更好的解釋氣泡如何在涂料中獲得穩定化,先介紹一下吉布斯彈性方程:

     

                                El = 2A?dγ/ dA

                    

                               式中:El為吉布斯彈性系數

                                        A為氣泡面積

                                        γ為液體表面張力

     

    根據該方程,當液體的表面張力因氣泡的表面積的變化而發生相應變化、具有正的El值時,該液體就具有所謂吉布斯彈性。具有彈性的氣泡壁是不易破滅的。

    涂料中的氣泡主要由于兩個效應獲得穩定化,變得不易破滅。這兩個效應分別是馬拉罔尼效應(Marangoni Effect)和靜電排斥效應(Static Effect)。

     

    -          馬拉罔尼效應(Marangoni Effect)

    當氣泡上升至涂料表面,氣泡壁中的液體會由于重力作用而流出氣泡壁,導致氣泡壁逐漸變薄。當氣泡壁厚度減少至某一臨界厚度時(如約0.01μm),氣泡壁將會破裂。這種氣泡就是非穩定化的氣泡。

    但如果體系中存在穩定氣泡的表面活性物質,這些物質將會在氣泡壁的內外表面進行定向排列。如果起泡液體具有正的吉布斯彈性系數,當氣泡壁中液體因重力流出時,表面活性劑轉讓也將隨流出的液體移動,造成表面活性劑在表面產生濃度差,從而形成表面張力梯度,這種表面張力梯度將使氣泡壁中的液體產生方向相反的流動,兩種流動將達到平衡,氣泡壁變薄的趨勢將會停止,氣泡就變得穩定了。這一氣泡穩定化機理就是馬拉罔尼效應。

     

    -          靜電排斥效應(Static Effect)

    當對穩泡性表面活性劑的結構進行簡單觀察,會發現它們多含有帶電或極性的親水端基。當氣泡壁中的液體因重力作用而流出氣泡壁時,會使表面活性劑的親水端基相互靠近,端基之間的排斥力也就會增加,從而使氣泡壁中的液體也產生方向相反的運動,氣泡就變得穩定了。這一氣泡穩定化機理就是靜電排斥效應。

     

    3、與消泡有關的幾個基本概念:

    -          破泡

    氣泡上升至表面后破裂

     

    -          脫泡

    氣泡從體系內部上升至表面的過程

     

    -          抑泡

    氣體到達液體表面后因被抑制,不形成氣泡

     

    4、有效消泡劑的基本性質:

    一種物質要成為有效的消泡劑,必須具有如下幾個基本性質:

    (1)、與體系不相容,或具有很低的有限相容性

    (2)、具有比體系更低的表面張力

    (3)、正的進入系數(E)

    (4)、正的鋪展系數(S)或橋連系數(B)

     

    一種消泡劑首先要與體系不相容,或者具有很低的有限相容性,它們在起泡介質中應以細微液滴的形式存在。這種細微液滴將不被起泡介質所潤濕,以抵抗馬拉罔尼效應和靜電排斥效應。需要提醒的是,在很多情況下,對于涂料體系,消泡劑又必需具有一定程度的相容性,以避免引起縮孔或其它表面缺陷。因此,對于某個具體的體系,選擇合適的消泡劑往往是在其消泡性和相容性之間找到合理的平衡。

    消泡劑必須具有比體系更低的表面張力,這樣才可能進入到氣泡壁,這是進而產生消泡作用的前提條件。

    消泡劑具有正的進入系數(E),才有可能穩定地進入到氣泡壁表面,進入系數E按如下公式進行計算:

     

    E = γ + γ液-消 – γ

                     

                               式中:E為進入系數

                                        γ為起泡液體的表面張力

                                        γ液-消為起泡液體與消泡劑之間的界面張力

                                        γ為消泡劑的表面張力

     

    同時,消泡劑必須具有正的鋪展系數(S),通過透鏡鋪展機理進行消泡,或具有正的橋連系數(B),通過橋連-去潤濕機理或橋連-拉伸機理進行消泡:

     

    S = γ - (γ液-消 + γ

    B = γ2 + (γ液-消2 –(γ2

                    

                               式中:S為鋪展系數

                                        B為鋪展系數

                                        γ為起泡液體的表面張力

                                        γ液-消為起泡液體與消泡劑之間的界面張力

                                        γ為消泡劑的表面張力

     

    從以上三個公式可以看出,消泡劑的表面張力足夠低,有利于獲得正的進入系數、鋪展系數和橋連系數。

     

    5、消泡劑的種類:

    可以大致將消泡劑分為兩大類,有機硅消泡劑和非硅類消泡劑。

     

    -          有機硅消泡劑

    有機硅消泡劑的優點是具有很低的表面張力,具有很高的鋪展系數和消泡效率。

    該類消泡劑可以通過各種改性獲得不同的相容性,以適合不同體系的需要。

    有機硅類消泡劑是相容性較好的消泡劑品種,對漆膜光澤無明顯影響,可在色漆、清漆和上光油體系中使用。

     

    -          非硅類消泡劑

    比較常見非硅類消泡劑有礦物油類、植物油類、聚合物類等。

     

    礦物油類消泡劑具有很高的不相容性,消泡效果明顯。由于環境因素,目前多以脂肪族礦物油類為主。該類產品的主要缺點是會影響漆膜光澤、引起縮孔的傾向大、并且難以添加。目前多用于水性建筑涂料和水性底漆。

     

    植物油類消泡劑具有礦物油類的類似性質。由于該類產品利用了可再生資源,目前的應用預計會越來越多。

     

    聚合物類消泡劑的特點是可以通過對聚合單體的種類和比例進行選擇,從而精確控制產品的極性和相容性。特別是其它消泡劑由于具有與某些體系無法匹配的低相容性時,聚合物類消泡劑往往可以發揮難以取代的作用。

     

    6、消泡劑的測試方法:

    起泡體系的具體性質及其施工方法是選擇消泡劑的決定性因素。在將消泡劑應用到真正的生產過程之前,在實驗室進行有效性測試是不可缺少的過程。實驗室對消泡劑的測試方法主要有攪拌測試、傾涂測試、滾涂(或刷涂)測試等

     

    -          攪拌測試

    在攪拌測試中,空氣以固定的攪拌方式在相同的時長內被引入到體系中。在攪拌結束后,觀察引入氣泡的體積及其減少的速度,可以對消泡劑的破泡性、抑泡性和脫泡性進行大致判斷。

     

    -          傾涂測試

    以上攪拌測試的體系,在攪拌結束后可以傾涂在玻璃板或透明塑料薄膜表面,觀察漆膜表面和內部的氣泡情況、以及消泡劑可能引起的漆膜缺陷如光澤降低和縮孔等。

     

    -          滾涂(或刷涂)測試

    如果涂料是通過滾涂、刷涂或類似方法進行施工的,那么在選擇消泡劑時還應進行滾涂或刷涂測試,這是由于這些施工方法會將空氣引入到漆膜中。添加消泡劑的涂料通過滾涂或刷涂方法施工在具體的基材表面,待漆膜干燥后,對漆膜起泡情況和外觀進行觀察。

     

     

     

     

                                                                                                                           廣州首帆化工有限公司

                                                                                                                                      研發部

     

                                                                                                                                     2020年8月

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