消泡劑在水性涂料中的作用機(jī)理及篩選方法
時(shí)間：2017-02-19來(lái)源：2017-02-09 李曼娜 猴圣化工
來(lái)源：贏創(chuàng)特種化學(xué)(上海)有限公司
作者：李曼娜
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前 言
隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，世界各個(gè)國(guó)家都相繼制定了揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的限量標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。溶劑型涂料中VOC的含量一般為45%左右，在生產(chǎn)、施工過(guò)程中排放的VOC對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響；其貯存、運(yùn)輸存在易燃、易爆等安全隱患。水性涂料具有綠色環(huán)境友好、節(jié)能安全、使用方便等特點(diǎn)，在各國(guó)得到了迅速發(fā)展。水性涂料特別是以各類(lèi)乳液為基料的水性工業(yè)涂料，由于其基料本身的特點(diǎn)以及對(duì)涂膜表面狀態(tài)的高要求和對(duì)施工性的高要求，在配方設(shè)計(jì)過(guò)程中需要加入多種助劑，其中消泡劑的選擇至關(guān)重要。如果涂料中存在較多的氣泡就會(huì)降低生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，而且給涂膜帶來(lái)表面缺陷，如：火山口、針孔等。
一、水性涂料消泡劑
1.1氣泡產(chǎn)生的原因
泡就是指穩(wěn)定在液體或涂料中的氣泡。氣泡的產(chǎn)生原因：(1)涂料生產(chǎn)時(shí)攪拌產(chǎn)生氣泡；(2)在施工過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，如輥涂或無(wú)氣噴涂等；(3)涂料在固化過(guò)程中反應(yīng)產(chǎn)生氣體；(4)在多孔基材上施工產(chǎn)生氣泡，如木材、石材或水泥板材。
泡的種類(lèi)一般分為干泡和濕泡，涂料中多為濕泡。泡的穩(wěn)定因素一般是表面活性劑的作用。在涂料應(yīng)用過(guò)程中，表面活性劑可能是乳化劑、基材潤(rùn)濕劑、潤(rùn)濕分散劑、樹(shù)脂基料本身等。
表面活性劑具有兩性的分子結(jié)構(gòu)，其中親水的分子部分滲入至極性液體中，疏水的分子部分朝向氣相中。表面活性劑在液/面定向排布，形成單層膜。由于空氣密度小于液體，因而氣泡將向液體表面遷移，當(dāng)氣泡到達(dá)不含表面活性劑的液體表面時(shí)，氣泡會(huì)破裂。泡內(nèi)的空氣消散，先前在氣泡周?chē)囊后w又融合在一起，因此純液體(不含表面活性劑的液體)不存在泡沫的問(wèn)題。純凈液體的表面張力幾乎為恒定值，這一性質(zhì)使氣泡層膜失去彈性，上升到表面的氣泡在排液效應(yīng)下破裂。當(dāng)液體中有表面活性劑存在，球狀氣泡上升，變成穩(wěn)定的大泡，雖然這些氣泡向空氣界面上升，但它們被表面活性劑分子層圍住。在空氣界面上也有一層表面活性劑分子的表面膜，因此當(dāng)氣泡上升至表面時(shí)，形成雙層膜。當(dāng)雙層膜的厚度達(dá)到某一微米值時(shí)，這些細(xì)小的表面泡沫很穩(wěn)定，較難消除。
泡的穩(wěn)定機(jī)理：(1)靜電排斥作用。隨著雙層膜液體因重力的作用逐漸排出，兩個(gè)表面相互貼近，表面活性劑的極性端或電荷端將相互排斥，從而阻止膜層中的液體進(jìn)一步流向液相，如果出于平衡狀態(tài)的雙層膜厚度大于臨界膜厚，氣泡將穩(wěn)定存在。(2)表面效應(yīng)。如吉布斯-馬拉格尼現(xiàn)象(液體具有從低表面張力區(qū)域向高表面張力區(qū)域流動(dòng)的特性)，它會(huì)阻礙泡沫層內(nèi)液體的流出。(3)泡沫雙層膜的吉布斯-馬拉格尼彈性。當(dāng)泡沫層變形時(shí)，它會(huì)使泡沫表面積增大，作為結(jié)果，單位面積上的表面活性劑的濃度降低，同時(shí)表面張力相應(yīng)地升高，為使表面張力達(dá)到盡可能低的水準(zhǔn)，拉緊的薄膜就像有彈性的皮一樣收縮，這就使得泡沫仍然保持完好。
1.2消泡劑和脫泡劑的作用機(jī)理
為了解決水性涂料中泡的問(wèn)題，試驗(yàn)一般會(huì)選擇消泡劑或脫泡劑，消泡劑和脫泡劑必須具備的特性有：(1)不能溶解在被消泡體系中；(2)比體系更低的表面張力；(3)高的滲透能力——滲透系數(shù)E為正值；(4)高的鋪展能力——展布系數(shù)S為正值。一方面消泡劑的有效成分在涂料中必須不相容。另一方面為避免產(chǎn)生類(lèi)似縮孔那樣的缺陷，消泡劑又必須與涂料基料盡可能地相容。因此，每種消泡劑都必須在相容性和可控的不相容性上取得良好的平衡。
消泡劑的作用原理：被乳化成小液滴的消泡劑必須進(jìn)入到泡沫雙層膜層里面才能產(chǎn)生消泡作用。由于消泡劑活性組分具有比體系更低的表面張力，使?jié)B透系數(shù)為正值，在氣泡表面，消泡劑液滴就可以穿透穩(wěn)定殼層上的表面活性劑膜進(jìn)入到氣泡的雙膜層里面。由于消泡劑活性組分具有比體系更低的表面張力，使展布系數(shù)為正值，因此消泡劑液滴具有高的展布傾向，使其擴(kuò)展液/氣界面，消泡劑進(jìn)一步地展布將減少泡沫層的厚度，應(yīng)力的改變最終導(dǎo)致泡沫殼層的破裂而達(dá)到消泡的效果。由于消泡劑與體系的不相容性，滲透進(jìn)泡沫膜并在界面上展布的消泡劑能將表面活性劑以及雙膜層中的液體推開(kāi)，當(dāng)雙層膜厚度低于臨界膜厚時(shí)，泡沫破裂。脫泡劑的作用原理：脫泡劑取代表面活性劑，使微泡失去穩(wěn)定性，從而上升到表面，脫泡劑促進(jìn)大一點(diǎn)的泡的形成。因?yàn)槲⑴萆仙俣扰c泡半徑的平方成正比，與體系的黏度成反比。
消泡劑和脫泡劑的組成，一般有硅類(lèi)、非硅類(lèi)，通常含有分散好的固體顆粒。消泡劑一般有濃縮液和乳液等供應(yīng)形式，濃縮液一般適用于研磨階段；消泡劑乳液一般適用于調(diào)稀階段或清漆中。也可以將濃縮液預(yù)稀釋后方便添加。
消泡劑和脫泡劑必須在效率和相容性之間找到正確的平衡。相容性太好，消泡效果弱；相容性太差，會(huì)導(dǎo)致縮孔、魚(yú)眼、渾濁等表面缺陷。對(duì)于預(yù)選擇，簡(jiǎn)單的篩選試驗(yàn)是非常有效的。對(duì)于最終的選擇應(yīng)該進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用或模擬試驗(yàn)，建議要做貯存穩(wěn)定性的試驗(yàn)。根據(jù)水性涂料施工的情況不同(如刷涂、噴涂、浸涂等)可分別選擇不同的測(cè)試方法，如攪拌試驗(yàn)法、流涂試驗(yàn)法等。
二、評(píng)價(jià)試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)材料
客戶(hù)需要解決水性木器涂料的消泡問(wèn)題，其中未添加任何消泡劑，樹(shù)脂體系是水性丙烯酸乳液。待測(cè)試的消泡劑，如：Tego Foamex 825、Tego Foamex815N、Tego Foamex 843、Tego Foamex 1488、TegoAirex 902W、Tego Airex 904W。
2.2參考配方
水性木器涂料參考配方(見(jiàn)表1)。
消泡劑的測(cè)試配方(見(jiàn)表2)。
2.3消泡劑的評(píng)價(jià)方法
2.3.1 攪拌試驗(yàn)
將待測(cè)試的消泡劑分別加入空白樣品中，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌10 min，放置24 h。
取出50 g樣品，攪拌3 min(3 000 r/min，3 cm分散盤(pán))，然后馬上將45 g樣品倒入量筒中，記錄下量筒中的體積讀數(shù)。體積越小消泡能力越強(qiáng)。
2.3.2 傾倒試驗(yàn)
將量筒中的樣品傾倒在傾斜放置的聚酯膜上(聚酯膜與垂直方向成25°傾角)。根據(jù)干膜上泡沫分布的密度評(píng)價(jià)消泡效率。用5個(gè)等級(jí)來(lái)描述消泡效率。5級(jí)代表高的消泡效果，1級(jí)代表低的消泡效果。
2.3.3 相容性及縮孔檢查
在玻璃板上涂布50 μm的濕膜，待涂膜干膜后檢查涂膜的外觀是否清澈透明，板面是否是有縮孔。
2.3.4 光 澤
在有封閉底漆的木板上噴涂,干燥后測(cè)試涂膜的光澤，儀器采用Sheen光澤儀。
2.3.5 刷涂試驗(yàn)
在有封閉底漆的木板上刷涂，涂膜干燥后，觀察涂膜的表面狀態(tài)，檢查涂膜中是否有氣泡、縮孔、混濁等問(wèn)題。用5個(gè)等級(jí)來(lái)描繪消泡效率。5級(jí)代表狀態(tài)良好，1級(jí)代表狀態(tài)最差。
2.3.6 貯存穩(wěn)定性
將分別加好消泡劑的涂料在50 ℃的烘箱中放置14 d，然后重復(fù)上面的試驗(yàn)步驟并記錄結(jié)果。
2.4測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表3、表4)
三、結(jié)果與討論
3.1通過(guò)測(cè)試結(jié)果選擇消泡劑
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，4#配方Foamex 843和Airex 902W配合使用表現(xiàn)出比較好的消泡性、長(zhǎng)效性以及與該體系的相容性。因此，我們建議使用Tego Foamex843(0.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、Tego Airex 902W(0.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))來(lái)解決消泡問(wèn)題。在水性涂料中，有時(shí)單一的消泡劑不能達(dá)到滿(mǎn)意的效果，通過(guò)消泡劑和脫泡劑的組合，一般可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。
3.2消泡劑選擇中消泡效率與相容性
不能盲目選擇消泡能力最強(qiáng)的消泡劑，消泡劑的選擇必須兼顧消泡效率和消泡劑與體系的相容性，而后者更為重要。如果消泡劑在體系中的相容性太差，就會(huì)導(dǎo)致縮孔混濁等表面缺陷的出現(xiàn)；如果相容性太好，消泡效果可能會(huì)減弱，因此選擇消泡劑必須在消泡效率和相容性之間找到最好的平衡。
3.3消泡劑選擇中貯存試驗(yàn)的重要性
在選擇消泡劑時(shí)，建議做貯存試驗(yàn)，因?yàn)橄輨┰谫A存過(guò)程中，由于與表面活性劑相互作用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有可能消泡效率會(huì)下降，因此建議在做好初步篩選試驗(yàn)后，將試樣貯存，通過(guò)評(píng)價(jià)貯存后消泡能力及相容性的表現(xiàn)，最終確定消泡劑的選擇。
3.4試驗(yàn)室模擬消泡試驗(yàn)的局限性
對(duì)于水性涂料，消泡劑的選擇是復(fù)雜的，通過(guò)試驗(yàn)室只能做出初步的篩選結(jié)果，有了初步的篩選結(jié)果，必須在實(shí)際應(yīng)用中去檢驗(yàn)，通過(guò)施工的測(cè)試才能最終確定配方。
四、結(jié) 語(yǔ)
消泡劑在水性涂料中的應(yīng)用必不可少，當(dāng)我們了解了水性涂料中泡的產(chǎn)生因素、消泡劑的種類(lèi)及作用機(jī)理后，采用正確的試驗(yàn)方法去評(píng)價(jià)和篩選出適合的消泡劑或消泡劑組合是解決水性涂料泡沫問(wèn)題的重要工作。
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