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消泡剂和脱泡剂的作用方式

要使涂料体系中不含有泡沫稳定物质实际上是不可能的,那么只好使用消泡剂来避免泡沫的形成和/或将已形成的泡沫尽快地消除。

消泡剂是低表面张力的液体,一般必须具有以下三个性质:

  • 不溶于要消泡的介质
  • 有正的渗透系数
  • 有正的扩散系数

渗透系数 

E = γF + γint - γD    

 

扩散系数 

S = γF - γint - γD    

 

消泡剂    

E > 0 和 S > 0    

 

γF = 液体的表面张力 
γint = 液体/消泡剂的界面张力 
γD = 消泡剂的表面张力    

当渗透系数为正时,消泡剂就可进入泡沫膜。如果扩散系数为正时,消泡剂就可在界面内铺展。通过消泡剂在泡沫膜界面的铺展作用,稳定泡沫的表面活性剂被消泡剂取代,使原本是弹性的抗干扰的气泡膜转变为较低内聚力的气泡膜。

消泡剂使膜层不稳定(反润湿)

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憎水颗粒使膜层不稳定

消泡剂使膜层不稳定(铺展)

除憎水性二氧化硅颗粒之外,毕克化学还开发了两种基于聚脲和聚酰胺的颗粒技术。

聚脲颗粒具有较好的消泡效果和以下两大优点:

1. 聚脲在载体油中由液体反应物原位合成,可获得更小的颗粒和更好的防沉降性。消泡剂自身具有较好的储存稳定性

2. 由于比表面积较大,其对表面活性剂的吸附容量更大,从而确保最佳消泡,即使涂料长期存放。

基于聚酰胺颗粒的技术同样有其益处,可用于食品接触领域。在某些应用中,也可获得更高的消泡效率。

所有的消泡剂的另一个重要特性是它们对于待消泡的介质有可控不相容性。相容性太好的消泡剂不能迁移进泡沫壁,而是进入涂料体系的液态主体中。在此情况下,消泡作用微乎其微。另一方面,如果一个消泡剂太不相容,则导致漆膜缺陷如雾影或缩孔。合适的消泡剂的选择可表征为在相容性和不相容性之间寻找一个“平衡点”。如下图所示,太好的相容性反而会导致稳泡,而不是消泡作用。当然,最佳的选择是有合适的消泡作用而无缺陷(雾影或缩孔)。

涂料配方中消泡剂的选择取决于添加时机、分散时长、加入方式(剪切力)和添加量。所有这些参数都会影响涂料配方中消泡剂的分布和液滴大小。从而影响其效能。如果分散不充分,导致形成的液滴过大,涂层就会出现表面缺陷。如果分散太好,消泡剂液滴过小,其在涂料配方中的倾向过于“相容”,降低效能。

对于作为浓缩物存在的极高活性的消泡剂,消泡剂液滴需原位生成。例如,涂料配方中的消泡剂在高剪切力下均匀地分布在研磨料中。对于消泡剂乳液,乳化液滴已经均匀地分布在水中,涂料生产时,消泡剂可在低剪切力下添加,通常在调漆阶段中使用。

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由于涂料体系的多样性,一个消泡剂不可能对于所有的配方都有最好的效果。必须有一系列的消泡剂产品以适应每一种特定体系。消泡能力的细调可以通过调节添加量来实现。消泡剂用量高一般来说会提供更好的消泡能力,但是这样可能会导致缺陷增加或使之更明显。降低消泡剂用量,漆膜缺陷可避免,但消泡能力可能会不够强。

“消泡”这一术语通常指消除涂料中的气泡。但有时,将“消泡”“脱泡”区别开来是有帮助的。首先,气泡必须到达表面,这个过程称为脱泡。随后气泡的破裂称为消泡,脱泡剂的功能是提高气泡的上升速度。这些助剂使涂料中相邻的小气泡互相聚集合并成为大气泡,然后,由于体积变大,向表面运动的速度加快。脱泡剂必须在整个涂层中都有效才能发挥这个作用。相反,消泡剂只在表面有效,它们只破坏上升至表面的气泡。

消泡和脱泡

表面上的气泡,消泡剂使泡沫不稳定。    

空气混入涂膜内部,脱泡剂加速气泡移迁至表面。    

小的微气泡(微泡)被包裹在漆膜内。特别是在膜厚和配方粘度较高时,小气泡上升到表面的过程受到阻碍(见上述Stokes定律)。小气泡的内部压力高于外部压力,这种现象使空气从气泡中扩散到涂料中。在干燥过程中,微小的气泡变小,并收缩消失。该气泡溶解过程可通过与显微镜相连的照相机来观察。

然而,如果由于表面活性剂吸附在气泡壁上造成气泡稳定,则空气扩散到涂料的过程被阻止。由于脱泡剂的表面活性,它们的作用机理包括在液相和气相界面定向并且移除稳定气泡的表面活性剂,使气泡的溶解发生。但实际上,通常难以区分这两种作用而将一个助剂的工作机理明确地定义为消泡剂或脱泡剂。

因此,后面的讨论一般都用“消泡剂”这个名字,即使在个别情况下用“脱泡剂”可能会更合适些。下面我们主要讨论毕克化学生产的用于水性和溶剂型体系的消泡剂的化学特性,这些消泡剂主要分为以下三类:

  • 矿物油消泡剂
  • 有机硅消泡剂
  • 无有机硅的聚合物型消泡剂