消泡剂和脱泡剂



欢迎来到毕克助剂的互动世界。该多媒体“消泡剂和脱泡剂”手册旨在支持您的工作,提供交互式图形的精彩动画和视频,以展示化学过程。

 

 

mouse_ani

01

什么是泡沫?

在涂料中,总是不希望有泡沫。一方面,在涂料生产中产生的泡沫使生产容器不能得到最佳的利用并会在包装生产线上造成问题;另一方面(大多数问题出现于此)在涂装中出现泡沫会使漆膜表面产生缺陷。泡沫不仅影响漆膜的外观,而且不利于漆膜保护作用的正常发挥。因而,消泡剂在几乎所有的配方中都是一个必要的成分。

事实上,所有的涂料组分都会对起泡倾向有正面或负面的影响。此外,基材特性和施工条件也影响起泡倾向。必须认识到泡沫是随不同情况而有不同表现的。例如,在某一喷涂施工中可得到优异的漆膜性能,然而将完全相同的涂料体系以幕式淋涂施工却可能会发生起泡问题。

鉴于我们仅考虑涂料体系,所以在讨论中只就液体泡沫而言。这种泡沫定义为气体(一般为空气)在液相中微细的分布。泡沫的特性之一(与其它物理状态比较)是气体和液体间存在非常大的界面。包覆着空气,使气泡彼此分离的液体层叫做膜。为了达到能量最低,每个液体系统都努力将它的表面积降到最低。因为泡沫处于高能态,因此它只有在泡沫稳定因素存在下才会存在。气泡在形成后即从液体内上升至液面。按“Stokes”定律,上升的速度(v)气泡的半径(r)和液体的粘度(η)有关。

Stokes定律

排液效应

Drainage-Effekt

当一个典型的气泡到达液面,泡沫膜(也就是包围着气泡的液体薄层)内液体就开始流出。这种流动过程 (排液效应) 降低了泡沫膜的厚度。当膜壁厚度低于约10纳米时,膜失去完整性,泡沫就破裂了。当然,假如所有液体的行为完全符合上述模式,那就不会有泡沫问题了,因为稳定的泡沫无法形成。举例说,这就是纯液体的情况:因此纯的液体不会起泡沫。

要形成稳定泡沫,在液相中必须有稳泡物质存在。一般来说,它们是界面活性物质(表面活性剂),它们的特性是在同一分子中存在着亲水和憎水基团。由于这样的结构单元,这些物质就定向排列于液相/气相界面,降低了界面张力,从而形成了稳定泡沫所需的条件。每一个涂料配方(水性、无溶剂型或溶剂型)中都含有众多的,来自各方面的和各种化学结构的稳泡物质。因此每个配方原则上说都有可能起泡。

观察一个典型气泡的“生命历程”,可以看到,一个气泡的结构随时间而变化。泡沫在形成初期,含有充裕的液体,故称之为“湿泡沫”或“球状泡沫”,因为气泡为球形,并且没有显著的相互变形。如前所述,液体从聚集泡沫膜中流出(排液效应),膜变得更薄,气泡聚集更紧密,从而形成多面体结构。这样的泡沫状态称之为“干”或“多面体泡沫”。

湿泡沫和干泡沫

Schaum

在没有反作用力存在下,排液效应最终使膜厚降低至某一程度而使泡沫破裂。一个主要的反作用力就来自稳泡物质(表面活性剂)的化学结构。在水性体系中,亲水基团是离子型的,泡沫膜的两个气液界面中布满了表面活性剂,当液体逐渐排出时,这两个界面互相贴近,最终排斥力发生作用,即相同电荷相互排斥。

排液效应 

纯水中不稳泡

另一个稳定化作用是依靠泡沫膜的弹性。当膜稍有拉伸,这种拉伸作用本身就引起拉伸区域界面上表面活性剂浓度的降低(因为同一体积的液体拉伸后具有较大的表面积,而表面活性剂的分子数不变)。然而拉伸区域表面上的表面活性剂浓度的降低,引起表面张力的升高,因而膜就缩回。这个表面张力(γ)差异可以被体系内部物质运动弥补,水和表面活性剂的混合液从膜内部和未拉伸表面向被拉伸的区域补充。这种特殊的稳泡作用被称为Gibbs-Marangoni效应。