1涂料中氣泡的產(chǎn)生和危害
泡沫是由許多液膜薄壁分隔開的氣體或蒸氣泡所組成。在有些工業(yè)領域，泡沫是有實用價值的，這時人們希望形成穩(wěn)定的泡沫來解決生產(chǎn)技術和生活中的實際問題。但在涂料工業(yè)中，一般是不希望產(chǎn)生泡沫，要想方設法消除產(chǎn)生的泡沫。涂料中氣泡的產(chǎn)生由以下因素所造成：①表面活性劑的使用。為了改善涂料的某些性能，如顏料分散性、貯存穩(wěn)定性、流平性等，在涂料配方中加入各種表面活性劑等助劑，它們會改變涂料的表面張力，引起起泡和穩(wěn)泡。
②涂料生產(chǎn)過程中，如高速分散過程會帶進空氣泡，在研磨分散中涂料自由能會升高，有助于泡沫的生成。
③在施工過程中，如空氣噴涂會帶進空氣泡，無氣噴涂、輥涂等也會使涂料體系自由能升高，幫助產(chǎn)生泡沫。
④有些涂料，如聚氨酯涂料在成膜過程中會產(chǎn)生氣體，導致氣泡產(chǎn)生。 。
若在涂料生產(chǎn)過程中發(fā)生泡沫，會影響到生產(chǎn)容器的最佳利用，給操作帶來困難；若在涂裝過程中產(chǎn)生泡沫，會使漆膜表面產(chǎn)生缺陷。一方面影響涂膜的裝飾性能，表面難看，光澤差；另一方面影響涂膜的防護性能，使防腐性和耐候性都降低。
2消泡機理及消泡劑的作用方式
(1)泡沫形成和破滅的理論
泡沫的破滅通常是由于液體從氣泡壁排到壁面棱邊處所致，當該液膜排液至厚度約lonm時，液膜中的分子運動便足以使其破滅，從而氣泡結構遭到破壞。
①排液效應。如圖1所示的是泡沫的結構和排液機理。泡沫的棱邊處由很小曲率表面積所包圍，與相對平坦的封閉液膜的壁面不同，因此任何棱邊處B的液體壓強小于A處的，液膜壓強本身又等于外界大氣壓。由于壓強差，棱邊附近的液膜從A處推入8處，使棱邊外圍液膜變薄，為代替已推入棱邊處的液膜，離棱邊更遠的液膜再遷移進入，致使液膜變薄。這種現(xiàn)象可用圖2更形象地展示。
圖1泡沫結構示意圖和液體排到棱邊處的機理
圖2排液過程示意圖
②Gibbs彈性。液體彈性是泡沫穩(wěn)定性的又一因素。當液體和表面活性劑組成的液膜在某一部位突然被拉伸時，膜面上的表面活性劑濃度暫時減少。該點表面張力相應增大，致使拉伸作用傳遞到表面張力較低的區(qū)域。這就使氣泡具有耐突然破裂的能力，稱為Gibbs彈性。如圖3所示。
圖3當泡沫的薄膜被拉伸時，表面上表面活性劑濃度降低的示意圖表面活性劑濃度+表面活性劑分子降低引起表面張力增大
③表面遷移。當液膜離開低表面張力區(qū)域到高表面張力區(qū)時，隨著它的遷移，把許多底層的液層帶到新的地點。在被拉伸的液膜區(qū)域有一股流立即向它流去，趨于將從低表面張力區(qū)遷移來的液體使該區(qū)填滿。這種效應使拉伸區(qū)恢復到它原來的厚度。粘稠的液體會拖帶更多的液體急速充填到較薄的截面處，如果這一道拖去的液體太多的話，液膜自身原來的地方可能會減薄至破裂點而破泡。
泡沫的穩(wěn)定性和破裂的因素除了以上三種重要概念之外，機械沖擊、熱沖擊、靜電力、氣體吸附與擴散、底材對表面活性劑的消耗等都會明顯地影響到泡沫的穩(wěn)定性。
(2)消泡劑的作用方式
泡沫產(chǎn)生的難易程度與液體體系的表面張力直接有關，因為使用表面張力較低的活性劑及生產(chǎn)施工等因素，給泡沫的產(chǎn)生提供了條件。要消除泡沫，就要使用能使表面張力降低的物質作消泡劑。
消泡劑一般可分為抑泡劑和破泡劑兩種，抑泡劑的作用是抑制泡沫的產(chǎn)生，是治本之法。破泡劑是使產(chǎn)生的泡沫破裂。破泡又分為脫泡和消泡兩個過程，前者促使氣泡到達表面，后者將表面上的氣泡破壞。一般很難準確地將一個助劑的工作機理定義為抑泡、脫泡或消泡，所以總是統(tǒng)稱為消泡劑。
破泡的過程可分為接觸、侵入、展布、破泡四個過程，如圖4所示。
圖4破泡過程示意圖
因此，破泡必須考慮兩個因素，即侵入系數(shù)E和展布系數(shù)S。
E=γF+γDF-γD (2)
S=γF-γDF-γD (3)
式中，γF表示泡膜液的表面張力；γDF表示消泡劑的表面張力；γD表示泡膜液和破泡劑間的界面張力。
當E為正時，消泡劑就可進入泡沫液；而s為正時，就可在界面展布。只有當E和S都為正數(shù)，消泡劑才能發(fā)揮作用。這就要求)，D、γDF都較小。因此，消泡劑應具有一定的親水性，不溶于泡沫所在的介質。
根據(jù)以上敘述，可以歸結出消泡劑應具備的性能，即：
①與體系的溶解度很低；
②能明顯降低體系的表面張力；
③具有正的侵入系數(shù)和展布系數(shù)；
④最好在泡沫的界面上定向時能處于平臥狀態(tài)。
3消泡劑的類型
涂料工業(yè)所用的消泡劑一般都是非離子型表面活性劑。根據(jù)其化學組成不同，可分為以下幾類：
①有機硅類。這類是用得最多的、最主要的消泡劑，在前面已進行過討論。
②礦物油類。該類消泡劑一般是由約80％的載體油和約15％的憎水顆粒再加約5％的乳化劑、防腐劑及其它增效成分所組成。載體油是脂肪族或芳香族的礦物油。芳香族礦物油易引起漆膜泛黃，且含有大量芳香烴，會造成生理危害，因此不如脂肪族的性能好。憎水顆粒一般用憎水的氣相二氧化硅、硬脂酸鹽、脂肪酸衍生物或聚脲化合物。乳化劑的作用是將憎水顆粒分散于載體油中，同時對消泡劑混入涂料也有正向作用。
該類消泡劑主要用于平光和半光乳膠漆中。
③不含硅聚合物類。這是一類特殊的聚合物，它是通過選定的不混溶性來發(fā)揮作用的。為了獲得“混溶”與“不混溶”問的平衡，要有意識地改變聚合物的極性和相對分子質量(包括相對分子質量分布)。一般相對分子質量越大，越不混溶。但對聚合物型消泡劑來說，即使其混溶性太好，造成消泡效果太弱或甚至完全沒有消泡作用，但不會穩(wěn)定泡沫，這是它與有機硅消泡劑的最大不同。有機硅消泡劑和無硅聚合物消泡劑之間的差異可用圖5 進行對比。
圖5聚合物消泡劑和有機硅消泡荊的比較a為聚合物消泡劑；b為有機硅消泡劑
以上幾類是目前涂料工業(yè)使用最廣泛的消泡劑，除此之外，磷酸酯類(如磷酸三丁酯)、低級醇類(如正辛醇類)，也可用作水性涂料的消泡劑，但由于其抑泡性等方面不十分令人滿意，已逐漸被淘汰不用。
目前國內市場可得到的非硅類消泡劑列于表1。
表1 非硅類消泡劑
|
牌 號 |
生產(chǎn)商 |
組 成 |
適用體系 |
推薦用量ω／％ |
|
BYK-051/052/053 |
BYKChemie |
聚合物溶液 |
溶劑型涂料 |
0.05～0.5 |
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BYK-055 |
BYK Chemie |
聚合物溶液 |
高光聚酯、家具漆等 |
0.1～1.5 |
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BYK-057 |
BYK Chemie |
聚合物溶液 |
溶劑型／無溶劑型涂料 |
0.1～1．O |
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BYK-032 |
BYK Chemie |
石蠟基礦油與疏水組分之乳液 |
外墻乳膠漆 |
0.1～0.5 |
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BYK-033 |
BYK Chemie |
疏水組分與石蠟基礦油之混合物 |
抹墻灰漿、工業(yè)乳膠漆 |
0.1～0.5 |
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Foarrmster 306 |
Cognis |
礦物油類 |
高光乳膠漆 |
0.1～0.5 |
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Foamaster 3063 |
Cognis |
礦物油類 |
聚氨酯和醇 酸乳液 |
0.1～1.0 |
|
PERENOL EI |
Cognis |
聚合物 |
溶劑型涂料 |
0.05～0.5 |
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OX-77 |
KUSUMOTOCHEM |
特殊丙烯酸類聚合物 |
溶劑型涂料 |
0.2～1.0 |
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P-420 |
KUSUMOTOCHEM |
特殊乙烯酸類聚合物 |
厚膜型涂料 |
0.2～1.0 |
|
牌 號 |
生產(chǎn)商 |
組 成 |
適用體系 |
推薦用量ω／％ |
|
M50 |
KUSUMOTO CHEM |
特殊乙烯酸類聚合物 |
溶劑型涂料 |
0.1～1.0 |
|
3200 |
DECHEM |
高分子聚合物 |
無溶劑厚漿 型涂料 |
0.1～O．5 |
|
8700 |
DECHEM |
高分子聚合物 |
無溶劑厚漿型涂料 |
0.2～1.0 |
4消泡劑的應用
(1)選擇消泡劑應注意的因素
涂料體系中物料的相互影響，造成了泡沫問題的復雜性，因此在選擇消泡劑時，應考慮以下因素：
①涂料體系。水性涂料與溶劑型涂料所要求的消泡劑是不同的，水性涂料使用乳化劑、增稠劑，更具起泡和穩(wěn)泡性，因此其消泡問題更突出。
對水性涂料來講，其pH值越高，對控制泡沫越不利。丙烯酸系列有光乳膠涂料的乳液粒子很細，消泡較困難，水性醇酸與水性聚氨酯相比，易與消泡劑混溶ll5cj。
對溶劑型涂料來講，聚氨酯漆在生產(chǎn)和施工過程中都容易產(chǎn)生反應型氣泡，消泡較困難。
②顏料。顏料粒子的粗細、極性大小會影響到泡沫，例如炭黑、超細填料會增加消泡的困難性。
③助劑。潤濕分散劑的使用本身就會帶來泡沫，過量使用時更有穩(wěn)泡作用。如果選用的消泡劑與分散劑匹配不好，會造成分散劑乳化消泡劑，引起顏料絮凝和消泡劑失靈。
④涂料的粘度。高粘度的涂料消泡更困難，如彈性涂料、防腐蝕涂料中的厚漿型涂料，往往需要專用消泡劑。
⑤涂料的用途。消泡劑的不混溶性多多少少會影響到涂料的光澤，因此，高光澤的涂料就要選用混溶性較好的消泡劑。
⑥施工方法。無空氣噴涂比空氣噴涂的消泡困難，刷涂比浸涂消泡困難。
⑦涂料的干性。干燥快的涂料表面固定得快，要求消泡力強的消泡劑，作用能迅速完成，否則即使破泡，因為沒有一定的流動，就會留下針孔。
(2)如何正確使用消泡劑
要想使消泡劑很好地發(fā)揮作用，消泡劑的添加方法很重要。消泡劑一般需要在高剪切速率下分散，如果分兩次添加效果更好，即把所用消泡劑等分為兩份，一份在研磨階段加入，一份在配漆階段加入，這樣消泡劑作用發(fā)揮最好，用量可降低到最低。
消泡劑加入后至少需要24h才會充分發(fā)揮作用，在試用時一定要注意這一點，如果提前測試，往往會得出錯誤的結論。
涂料生產(chǎn)過程中要求消泡劑的作用持久性要好。有時會發(fā)現(xiàn)貯存后的涂料在施工和成膜過程中往往會達不到初期的消泡能力。發(fā)生這種情況的原因，可能與溶液中起泡劑的濃度是否超過cmc有關。在濃度大于cmc的溶液中，消泡劑有可能被加溶，以致失去在表面鋪展的作用，消泡效力大減。圖6即顯示了此種情況：油酸鈉的濃度為0．20％，已超過cmc。在此溶液中，磷酸三丁酯的加溶量約為0．3％。故在磷酸三丁酯溶液較小時，新鮮溶液的泡沫高度比放置一段時間后的低得多。
圖6 0．20％油酸鈉水溶液的起泡性與磷酸三丁酯濃度的關系
1．新鮮溶液；2．溶液放置24h后；3．溶液放置48h后
正確地使用消泡劑，需要掌握恰到好處的用量，而且以最低的有效量為好。這就需要涂料配方設計者進行反復的試驗來得到數(shù)據(jù)。一般的試驗方法是：按照上述使用方法配制不同消泡劑含量的樣品，制備同樣條件的樣板，觀察氣泡的破裂速度和干膜殘留氣泡的多少來判斷消泡能力的大小，同時可以觀察縮孔測定光澤，以判斷哪種用量是最恰當?shù)摹?SPAN lang=EN-US>
為了測定消泡劑的持久性，可將加有消泡劑的樣品封嚴后在
(3)消泡劑使用不當造成的弊端
消泡劑雖然對消除泡沫是有益的，但是使用不當，就會帶來不利的影響。
①添加方法不當。消泡劑加入體系中，如果不經(jīng)研磨或高速分散，就不能發(fā)揮消泡作用。
②選擇不當。有些消泡劑只適用于低光澤涂料，如果用在高光漆中會造成光澤下降。
③過量。消泡劑使用過量，會影響光澤，更嚴重的是引起縮孔、縮邊等漆膜缺陷，也會造成重涂性差等弊病。
