消泡劑在水性漆中的作用機理及篩選方法

隨著人們環保意識的不斷增強，世界各個國jia都相繼制定了揮發性有機化合物(VOC)的限量標準和法規。溶劑型涂料中VOC的含量一般為45%左右，在生產、施工過程中排放的VOC對空氣質量產生一定影響；其貯存、運輸存在易燃、易爆等安全隱患。水性漆具有綠色環境友好、節能安全、使用方便等特點，在各國得到了迅速發展。水性漆特別是以各類乳液為基料的水性工業涂料，由于其基料本身的特點以及對涂膜表面狀態的高要求和對施工性的高要求，在配方設計過程中需要加入多種助劑，其中消泡劑的選擇至關重要。如果涂料中存在較多的氣泡就會降低生產效率，延長生產時間，而且給涂膜帶來表面缺陷，如：火山口、針孔等。

1、水性漆消泡劑

1.1 氣泡產生的原因

泡就是指穩定在液體或涂料中的氣泡。氣泡的產生原因：(1)涂料生產時攪拌產生氣泡；(2)在施工過程中產生氣泡，如輥涂或無氣噴涂等；(3)涂料在固化過程中反應產生氣體；(4)在多孔基材上施工產生氣泡，如木材、石材或水泥板材。

泡的種類一般分為干泡和濕泡，涂料中多為濕泡。泡的穩定因素一般是表面活性劑的作用。在涂料應用過程中，表面活性劑可能是乳化劑、基材潤濕劑、潤濕分散劑、樹脂基料本身等。

表面活性劑具有兩性的分子結構，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/氣界面定向排布，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，當氣泡到達不含表面活性劑的液體表面時，氣泡會破裂。泡內的空氣消散，先前在氣泡周圍的液體又融合在一起，因此純液體(不含表面活性劑的液體)不存在泡沫的問題。純凈液體的表面張力幾乎為恒定值，這一性質使氣泡層膜失去彈性，上升到表面的氣泡在排液效應下破裂。當液體中有表面活性劑存在，球狀氣泡上升，變成穩定的大泡，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，因此當氣泡上升至表面時，形成雙層膜。當雙層膜的厚度達到某一微米值時，這些細小的表面泡沫很穩定，較難消除。

泡的穩定機理：(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一步流向液相，如果出于平衡狀態的雙層膜厚度大于臨界膜厚，氣泡將穩定存在。(2)表面效應。如吉布斯-馬拉格尼現象[2](液體具有從低表面張力區域向高表面張力區域流動的特性)，它會阻礙泡沫層內液體的流出。(3)泡沫雙層膜的吉布斯-馬拉格尼彈性。當泡沫層變形時，它會使泡沫表面積增大，作為結果，單位面積上的表面活性劑的濃度降低，同時表面張力相應地升高，為使表面張力達到盡可能低的水準，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理

為了解決水性漆中泡的問題，試驗一般會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E為正值；(4)高的鋪展能力——展布系數S為正值。一方面消泡劑的有效成分在涂料中必須不相容。另一方面為避免產生類似縮孔那樣的缺陷，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入到泡沫雙層膜層里面才能產生消泡作用。由于消泡劑活性組分具有比體系更低的表面張力，使滲透系數為正值，在氣泡表面，消泡劑液滴就可以穿透穩定殼層上的表面活性劑膜進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，使展布系數為正值，因此消泡劑液滴具有高的展布傾向，使其擴展液/氣界面，消泡劑進一步地展布將減少泡沫層的厚度，應力的改變終導致泡沫殼層的破裂而達到消泡的效果。由于消泡劑與體系的不相容性，滲透進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，當雙層膜厚度低于臨界膜厚時，泡沫破裂。脫泡劑的作用原理：脫泡劑取代表面活性劑，使微泡失去穩定性，從而上升到表面，脫泡劑促進大一點的泡的形成。因為微泡上升速度與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、非硅類，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稀階段或清漆中。也可以將濃縮液預稀釋后方便添加。

 

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，會導致縮孔、魚眼、渾濁等表面缺陷。對于預選擇，簡單的篩選試驗是非常有效的。對于的選擇應該進行實際應用或模擬試驗，建議要做貯存穩定性的試驗。根據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試方法，如攪拌試驗法、流涂試驗法等。

2、評價試驗：

2.1 試驗原料

客戶需要解決水性木器涂料的消泡問題，其中未添加任何消泡劑，樹脂體系是水性丙烯酸乳液。待測試的消泡劑，如：Tego Foamex 825、Tego Foamex815N、Tego Foamex 843、Tego Foamex 1488、TegoAirex 902W、Tego Airex 904W。

 

2.3消泡劑的評價方法

2.3.1攪拌試驗：

將待測試的消泡劑分別加入空白樣品中，在2 000 r/min轉速下攪拌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)，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。體積越小消泡能力越強。

 

2.3.2傾倒試驗：

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)。根據干膜上泡沫分布的密度評價消泡效率。用5個等級來描述消泡效率。5級代表高的消泡效果，1級代表低的消泡效果。

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,干燥后測試涂膜的光澤，儀器采用Sheen光澤儀。

 

2.3.5刷涂試驗：

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，檢查涂膜中是否有氣泡、縮孔、混濁等問題。用5個等級來描繪消泡效率。5級代表狀態良好，1級代表狀態。

 

2.3.6貯存穩定性：

將分別加好消泡劑的涂料在50 ℃的烘箱中放置14 d，然后重復上面的試驗步驟并記錄結果。

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