浅谈消泡剂的机理和应用(上)

浅谈消泡剂的机理和应用(上)摘要：本文从泡沫的定义和概念说起，对油墨涂料中需要消泡剂起到的作用及能起到作用的物质做了浅显地介绍，着重描述了消泡剂的应用和测试方法。关键词：消泡剂、水性、涂料、测试在许多油墨和涂料的加工生产过程中，需要使用具有表面活性的物质来达到某些特殊的效果。例如，在水性涂料生产中，不溶于水的基料生产中，不溶于水的基料就需要使用乳化剂来处理。同时，我们通过使用助剂来改善涂料的基材润湿性和颜料的分散性。表面活性剂最重要的特性是它们有集结在界面上的倾向，例如在空气/水的界面。表面活性剂在界面上的排列取决于其溶解性和化学结构。它将使界面表面张力降低，因而让体系达到稳定。但表面活性剂也带来人们不愿看到的副作用-------稳定涂料在生产和施工过程带入的空气，形成稳定的泡沫，这在水性涂料体系中尤为常见。一、泡沫的定义和概念泡沫可以定义为空气泡在液体介质中的稳定分散体。如果把一般空气导入液体中，所产生的气泡可假定成球状。由于空气的密度小于液体，因而它将向表面迁移，当气体到达不含表面活性剂的液体表面时，气泡将破裂，泡内空气消散，先前在气泡周围的液体又融合在一起，因此，纯液体（不含表面活性剂的液体）不存在泡沫问题。在含有表面活性剂的液体中，球状气泡上升，变成稳定的宏泡（大泡）。虽然这些气泡向空气界面上升，但它们被表面活性剂分子层包围住。在空气介面上也有一层表面活性剂分子的表面膜，因此，当气泡升至表面时，形成双膜层。双膜层厚度可达若干微米，这些细小的表面泡沫很稳定，较难消除。气泡上升至表面增高而形成泡冠。随着液体从双膜层中排出，微泡会转变成动力学上稳定的宏泡，而且泡冠中泡沫双液层变薄，使泡沫较易破裂。泡沫的稳定受若干因素影响。其中之一的因素是稳定的夹层很薄，夹层内的液体不能排出或排出缓慢。另外占据在夹层上的表面活性剂离子之间的静电排斥力也阻止了气泡破裂。促使泡沫稳定的另一个因素是吉布斯弹性。通过拉伸具有表面活性物质的薄膜，这种弹性作用就会表现出来。在这种情况下，双膜层的表面被扩张，导致表面活性剂的浓度局部减少，表面张力升高。被拉紧了的薄膜层像一张有弹性的皮一样聚扰，使到表面张力达到尽可能低的水平。水性涂料和油墨在制造或施工过程中均会产生泡沫。制造过程中的混合，分散或过滤操作，使泡沫冠形成并上升，它会延长生产时间和减少体系的有效容积。施工过程，集结在空气界面上的稳定泡沫在涂膜干燥后会产生常见的表面缺陷。在印刷过程中泡沫破坏油墨的迁移性，最恶劣的情况下甚至引致油墨从工作槽中溢出。二、需要消泡剂起到的作用目前有关泡沫形成的理论对消泡和脱泡是有区别的。消泡剂的作用是把空气截留于界面。脱泡剂的作用是在涂膜过程及涂膜完成后，使散布于涂膜中的微小空气(微泡)，快速升到表面。但实际应用上却往往不能明确地作这种区分。消泡剂也能在某种程度上消除微泡。下面讨论消泡剂在水性涂料和油墨中的消泡机制。消泡剂要显示出效果，必须满足一定的要求。其中之一就是它们必须能够破坏上述的泡沫稳定机理。为此，消泡剂在体系中要有一定的不相溶性，能够迁移到空气界面上。当然，不能出现由于使用消泡剂而引起的类似缩孔那样的严重副作用。为了能够消泡，在涂料中乳化成微小液滴的消泡剂必须和稳定泡沫的表面活性剂层结合并渗入到泡沫的双分子膜层里。接着，消泡剂必须快速展布，穿过裂开的表面活性剂层。这时的薄膜与先前稳定夹层的表面活性剂膜相比，弹性有了显著的降低。最后，这种不稳定导致双分子膜层破裂，从而达到消泡的效果。因此，不相溶性、高展布能力和低表面张力是每种消泡剂都必需具有的重要性质。在消泡剂中加入微细的疏水粒子，例如：二氧化硅，其消泡能力会得到有效的加强。它们的作用机理可解释为一个反湿润的过程。稳定的表面活性剂双分子膜层不能湿润疏水的固体粒子，造成局部区域表面张力不稳定，使双分子膜层破裂。三、对水性涂料和油墨有消泡作用的物质对水性体系，最大的两类消泡剂是石油烃（矿物油）类和硅酮类。传统上，芳香族和脂肪族的石油衍生物被用作消泡剂组成中的活性展布物质。早期，芳香族油被广使用。但其对健康和环境的危害性妨碍了它们的应用。脂肪族油的毒性较小，但在水性介质中相溶性较低，对中至高光泽涂料会造成严重的失光问题。用疏水或部分亲水的聚醚改性聚硅氧烷可以得到一系列非常高效的消泡剂。改性作用使消泡剂具有了非常强的展布特性，它不影响涂料的光泽，与体系相容性高。在现代水性涂料体系和油墨体系中得到广泛应用。聚醚改性有机硅以ＳＩ－Ｏ－Ｃ键和ＳＩ－Ｃ键的键接形式，将聚醚链段和硅氧烷链段结合在一起。硅氧烷链段提供表面活性，而相溶性的程度则由聚醚链段的性质所决定。被消泡体系的化学性质对所选用消泡剂的化学性质有所限制。由于水性体系配方较为复杂，消泡剂的结构与其作用的范围之间的关系难以阐述清楚。既然要求各有不同，因而不能期望有一种能用的方法来解决这些消泡的问题。由于某些聚醚改性硅氧烷物质具有高的展面力，它不添加疏水性的固体粒子，也同样具有出色的消泡能力。四、添加消泡剂的用量和步骤消泡剂的用量和功效取决于涂料或油墨的配方体系，特别是聚合物的类型、PH值、颜料用量以及所用到其他助剂的化学结构。同样，制造工艺和施工过程对消泡剂的类型和用量也有要求。讨论到添加的方法，要区分消泡剂乳液和消泡剂浓缩物这两种形态的消泡剂产品。消泡剂乳液类产品的乳液液滴在产品供货状态时已经被分散成理想的粒度大小分布。它可以在研磨料中或者在调漆过程添加，并且很容易在涂料或油墨中混合均匀。对于不含疏水性固体粒子的消泡剂，甚至可以在成漆中搅拌添加。含100％活性物的消泡剂浓缩物的加入方式直接影响消泡剂的效果，在加入阶段得到的粒子大小分布决定了其消泡效果，为此，消泡剂浓缩物通常添加到研磨基料中。消泡剂使用高剪切力加入至体系中，但是过高的剪切力会减弱消泡效果。消泡剂的过度分散和较差的分散，都不利于消泡剂效能的发挥，添加消泡剂时使用相对低的剪切力，初期的消泡效果也许良好，但经过储存阶段，消泡剂的效果就可能会降低。一般的消泡剂都是设计成以供货时的状态来使用，如果添加时剪切力不够，可用醇或聚结剂把100％活性物的消泡剂预先稀释。稀释比例的范围是消泡剂对稀释为1：1到1：9，以方便加入及改善消泡粒子大小的合理分布。这样有利于消泡功效提高和减少缩孔的倾向。通常地消泡剂的预稀释会降低消泡剂活性物的长期稳定性，因此要注意消泡剂的稀释后的贮存稳定性。