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Wirkungsweise der Entschäumer und Entlüfter

Da sich grundsätzlich die potenziell schaumstabilisierenden Substanzen in Lackformulierungen nicht vermeiden lassen, werden Entschäumer eingesetzt, um trotz der Anwesenheit dieser Substanzen die Schaumbildung zu vermeiden oder entstandenen Schaum möglichst schnell zu zerstören.

Entschäumer sind Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung, die im Wesentlichen drei Bedingungen erfüllen müssen:

  • sie müssen unlöslich im zu entschäumenden Medium sein
  • sie müssen einen positiven Eindringkoeffizienten und
  • einen positiven Spreitungskoeffizienten besitzen.

Eindringkoeffizient 

E = γL + γint - γD    

 

Benetzung von Feststoffpartikeln 

S = γL - γint - γD    

 

Entschäumer    

E > 0 und S > 0    

 

γL = Oberflächenspannung der Flüssigkeit 
γint = Grenzflächenspannung Flüssigkeit/Entschäumer 
γD = Oberflächenspannung des Entschäumers    

Ist der Eindringkoeffizient positiv, so kann der Entschäumer in die Schaumlamelle eindringen. Ist weiterhin auch noch die Bedingung eines positiven Spreitungskoeffizienten erfüllt, so ist der Entschäumer in der Lage, nach dem Eindringen in die Lamelle an der Grenzfläche zu spreiten. Durch das Spreiten in der Grenzfläche der Schaumlamelle werden die schaumstabilisierenden Tenside verdrängt, und die elastische, gegen Störungen stabile Lamelle wird durch einen Film mit geringeren Kohäsionskräften ersetzt.

Entschäumer destabilisiert die Lamelle (Entnetzung)

Drainage_3

Hydrophobe Teilchen destabilisieren die Lamelle

Entschäumer destabilisiert die Lamelle (Spreitung)

BYK hat neben den Partikeln aus hydrophober Kieselsäure zwei Partikeltechnologien entwickelt, die auf Polyharnstoffen und Polyamiden beruhen.

Polyharnstoffpartikel zeichnen sich neben ihrer besseren entschäumenden Wirkung zudem durch zwei weitere Vorteile aus:

1. Polyharnstoff wird aus flüssigen Reaktanden in situ im Trägeröl synthetisiert, wodurch deutlich kleinere Partikel und eine bessere Absetzbeständigkeit erhalten werden. Der Entschäumer selbst weist eine bessere Lagerstabilität auf.

2. Das Adsorptionsvermögen für Tenside ist aufgrund der größeren spezifischen Oberfläche größer. Dadurch wiederum wird selbst bei einer Langzeitlagerung des Lacks eine optimale Entschäumungsaktivität gewährleistet.

Technologien auf Basis von Polyamidpartikeln bieten darüber hinaus den Vorteil, dass sie auch für Anwendungen mit Lebensmittelkontakt eingesetzt werden können. In bestimmten Anwendungen wird zudem eine höhere Effizienz erzielt.

Ein weiteres wesentliches Merkmal aller Entschäumer ist ihre gezielte und kontrollierte Unverträglichkeit mit dem zu entschäumenden Medium. Ein zu verträglicher Entschäumer wandert nicht gezielt in die Schaumlamelle, sondern ist im gesamten Lackfilm präsent; die entschäumende Wirkung ist dann nur gering oder gar nicht vorhanden. Bei zu großer Unverträglichkeit machen sich Lackfilmdefekte wie Trübungen oder Krater störend bemerkbar. Die Auswahl des richtigen Entschäumers ist also eine Art „Balanceakt“ zwischen Verträglichkeit und Unverträglichkeit. In der folgenden Abbildung ist dieser Sachverhalt grafisch dargestellt: Zu große Verträglichkeit führt zu einer schaumstabilisierenden statt einer entschäumenden Wirkung. Das Optimum ist gefunden, wenn eine gute Entschäumung ohne Defekte (Trübungen, Krater) erzielt wird. 

Die Auswahl eines Entschäumers hängt somit von dem Zeitpunkt der Zugabe, der Dauer und Einarbeitungsmethode (Scherkräfte) sowie der Dosierung in der Lackformulierung ab. Alle diese Parameter haben einen Einfluss auf die Verteilung und somit auf die Tröpfchengröße des Entschäumers in der Lackformulierung. Sie beeinflussen somit auch seine Wirksamkeit. Wenn der Dispergierprozess nicht effizient ist und zur Bildung zu großer Tröpfchen führt, treten im Lack Oberflächenstörungen auf. Bei einer zu starken Dispergierung sind die Entschäumertröpfchen dagegen zu klein und verhalten sich in der Lackformulierung zu „verträglich“, wodurch sie ihre Wirksamkeit verlieren.

Bei Entschäumern mit besonders hoher Aktivität, die gewöhnlich als Konzentrat vorliegen, müssen die Entschäumertröpfchen in situ erzeugt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Entschäumer in der Lackformulierung mit hohen Scherkräften im Mahlgut fein verteilt wird. Bei Entschäumeremulsionen, in denen die emulgierten Tröpfchen im Wasser bereits fein verteilt sind, kann der Entschäumer mit niedrigen Scherkräften, die gewöhnlich beim Auflacken zum Einsatz kommen, zur Lackformulierung zugegeben werden.

Drei_Graphen

Wegen der Vielzahl unterschiedlicher Lacksysteme gibt es nicht „den“ Entschäumer, der für alle Formulierungen optimal geeignet ist. Damit für jeden Zweck ein geeignetes Produkt angeboten werden kann, ist eine Palette von Entschäumern erforderlich. Die Feinabstimmung der entschäumenden Wirkung lässt sich durch variieren der Dosierung einstellen: Im Allgemeinen wird eine bessere Entschäumung erreicht, je mehr Entschäumer verwendet wird. Dadurch können jedoch auch die Störungen zunehmen bzw. diese sichtbar werden. Durch eine Senkung der Dosierung werden zwar Filmstörungen vermieden, die entschäumende Wirkung ist jedoch unter Umständen nicht ausreichend.

Der Begriff „Entschäumung“ wird häufig verwendet, um die Entfernung von Gasblasen aus dem Lack zu beschreiben. In bestimmten Fällen sollte jedoch zwischen „Entschäumung“ und „Entlüftung“ unterschieden werden. Zuerst müssen die Gasblasen an die Oberfläche gelangen. Die dann an der Oberfläche stattfindende Beseitigung der Schaumblasen wird als Entschäumung bezeichnet. Entschäumer sind nur an der Oberfläche wirksam, wo sie die dort befindlichen Luftblasen beseitigen. Entlüfter müssen dagegen im gesamten Lackfilm ihre Wirkung entfalten.

Entschäumung und Entlüftung

Schaum auf der Oberfläche. Entschäumer destabilisieren die Schaumblasen.    

Lufteinschluss im Lackfilm. Entlüfter beschleunigen die Migration der Blasen zur Oberfläche.    

Im Lackfilm können kleine Mikroblasen (Mikroschaum) eingeschlossen sein. Dieser Effekt, bei dem das Aufsteigen kleiner Blasen an die Oberfläche verhindert wird (siehe Gesetz von Stokes weiter oben), tritt insbesondere bei einer großen Filmdicke oder einer hohen Viskosität der Formulierung auf. Da der Druck in den kleinen Blasen größer ist als der Außendruck, diffundiert Luft aus den Blasen in den Lack. Die kleinen Mikroblasen werden beim Trocknen immer kleiner und schrumpfen schließlich soweit, dass sie vollständig verschwinden. Dieser Auflösungsprozess kann mit einer an ein Mikroskop angeschlossenen Kamera verfolgt werden.

Dieser Diffusionsprozess der Luft endet jedoch, wenn die Blase durch die Adsorption von Tensiden an den Blasenwänden stabilisiert wird. Der Wirkmechanismus von Entlüftern besteht aufgrund ihrer Oberflächenaktivität somit in einer Orientierung an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft und in einer Beseitigung stabilisierender Tenside an der Grenzfläche, wodurch der Auflösungsprozess erfolgen kann. Da eine Unterscheidung zwischen diesen beiden Effekten in der Praxis jedoch nicht immer möglich ist, lässt es sich nur schwer bestimmen, inwieweit ein Additiv als Entschäumer oder Entlüfter wirksam ist. 

Deshalb wird im Weiteren der Begriff „Entschäumer“ verwendet, obwohl in bestimmten Fällen der Terminus „Entlüfter“ eigentlich richtiger wäre. Im Folgenden soll schwerpunktmäßig die Chemie von BYK-Entschäumern in wässrigen und lösemittelhaltigen Systemen beleuchtet werden. Sie lassen sich in die folgenden Gruppen unterteilen:

  • Mineralölentschäumer
  • Silikonentschäumer
  • Silikonfreie Polymerentschäumer