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消泡剂在水性涂料中的作用机理及筛选方法

来源:赢创特种化学(上海)有限公司 作者:李曼娜 时间:2017-02-08 点击:
导读:介绍了水性涂料中气泡的产生因素,消泡剂的种类及作用机理,并通过试验介绍了水性涂料筛选消泡剂的方法及注意事项。
0 前 言
随着人们环保意识的不断增强,世界各个国家都相继制定了挥发性有机化合物(VOC)的限量标准和法规。溶剂型涂料中VOC的含量一般为45%左右,在生产、施工过程中排放的VOC对空气质量产生一定影响;其贮存、运输存在易燃、易爆等安全隐患。水性涂料具有绿色环境友好、节能安全、使用方便等特点,在各国得到了迅速发展。水性涂料特别是以各类乳液为基料的水性工业涂料,由于其基料本身的特点以及对涂膜表面状态的高要求和对施工性的高要求,在配方设计过程中需要加入多种助剂,其中消泡剂的选择至关重要。如果涂料中存在较多的气泡就会降低生产效率,延长生产时间,而且给涂膜带来表面缺陷,如:火山口、针孔等。
 
1 水性涂料消泡剂
1.1 气泡产生的原因
泡就是指稳定在液体或涂料中的气泡。气泡的产生原因:(1)涂料生产时搅拌产生气泡;(2)在施工过程中产生气泡,如辊涂或无气喷涂等;(3)涂料在固化过程中反应产生气体;(4)在多孔基材上施工产生气泡,如木材、石材或水泥板材。
泡的种类一般分为干泡和湿泡,涂料中多为湿泡。泡的稳定因素一般是表面活性剂的作用。在涂料应用过程中,表面活性剂可能是乳化剂、基材润湿剂、润湿分散剂、树脂基料本身等。
表面活性剂具有两性的分子结构,其中亲水的分子部分渗入至极性液体中,疏水的分子部分朝向气相中。表面活性剂在液/气界面定向排布,形成单层膜。由于空气密度小于液体,因而气泡将向液体表面迁移,当气泡到达不含表面活性剂的液体表面时,气泡会破裂。泡内的空气消散,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)不存在泡沫的问题。纯净液体的表面张力几乎为恒定值,这一性质使气泡层膜失去弹性,上升到表面的气泡在排液效应下破裂。当液体中有表面活性剂存在,球状气泡上升,变成稳定的大泡,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围住。在空气界面上也有一层表面活性剂分子的表面膜,因此当气泡上升至表面时,形成双层膜。当双层膜的厚度达到某一微米值时,这些细小的表面泡沫很稳定,较难消除。
泡的稳定机理:(1)静电排斥作用。随着双层膜液体因重力的作用逐渐排出,两个表面相互贴近,表面活性剂的极性端或电荷端将相互排斥,从而阻止膜层中的液体进一步流向液相,如果出于平衡状态的双层膜厚度大于临界膜厚,气泡将稳定存在。(2)表面效应。如吉布斯-马拉格尼现象[2](液体具有从低表面张力区域向高表面张力区域流动的特性),它会阻碍泡沫层内液体的流出。(3)泡沫双层膜的吉布斯-马拉格尼弹性。当泡沫层变形时,它会使泡沫表面积增大,作为结果,单位面积上的表面活性剂的浓度降低,同时表面张力相应地升高,为使表面张力达到尽可能低的水准,拉紧的薄膜就像有弹性的皮一样收缩,这就使得泡沫仍然保持完好。
1.2 消泡剂和脱泡剂的作用机理
为了解决水性涂料中泡的问题,试验一般会选择消泡剂或脱泡剂,消泡剂和脱泡剂必须具备的特性有:(1)不能溶解在被消泡体系中;(2)比体系更低的表面张力;(3)高的渗透能力——渗透系数E为正值;(4)高的铺展能力——展布系数S为正值。一方面消泡剂的有效成分在涂料中必须不相容。另一方面为避免产生类似缩孔那样的缺陷,消泡剂又必须与涂料基料尽可能地相容。因此,每种消泡剂都必须在相容性和可控的不相容性上取得良好的平衡。
消泡剂的作用原理:被乳化成小液滴的消泡剂必须进入到泡沫双层膜层里面才能产生消泡作用。由于消泡剂活性组分具有比体系更低的表面张力,使渗透系数为正值,在气泡表面,消泡剂液滴就可以穿透稳定壳层上的表面活性剂膜进入到气泡的双膜层里面。由于消泡剂活性组分具有比体系更低的表面张力,使展布系数为正值,因此消泡剂液滴具有高的展布倾向,使其扩展液/气界面,消泡剂进一步地展布将减少泡沫层的厚度,应力的改变最终导致泡沫壳层的破裂而达到消泡的效果。由于消泡剂与体系的不相容性,渗透进泡沫膜并在界面上展布的消泡剂能将表面活性剂以及双膜层中的液体推开,当双层膜厚度低于临界膜厚时,泡沫破裂。脱泡剂的作用原理:脱泡剂取代表面活性剂,使微泡失去稳定性,从而上升到表面,脱泡剂促进大一点的泡的形成。因为微泡上升速度与泡半径的平方成正比,与体系的黏度成反比。
消泡剂和脱泡剂的组成,一般有硅类、非硅类,通常含有分散好的固体颗粒。消泡剂一般有浓缩液和乳液等供应形式,浓缩液一般适用于研磨阶段;消泡剂乳液一般适用于调稀阶段或清漆中。也可以将浓缩液预稀释后方便添加。
消泡剂和脱泡剂必须在效率和相容性之间找到正确的平衡。相容性太好,消泡效果弱;相容性太差,会导致缩孔、鱼眼、浑浊等表面缺陷。对于预选择,简单的筛选试验是非常有效的。对于最终的选择应该进行实际应用或模拟试验,建议要做贮存稳定性的试验。根据水性涂料施工的情况不同(如刷涂、喷涂、浸涂等)可分别选择不同的测试方法,如搅拌试验法、流涂试验法等。
 
2 评价试验
2.1 试验原料
客户需要解决水性木器涂料的消泡问题,其中未添加任何消泡剂,树脂体系是水性丙烯酸乳液。待测试的消泡剂,如:Tego Foamex 825、Tego Foamex815N、Tego Foamex 843、Tego Foamex 1488、TegoAirex 902W、Tego Airex 904W。
2.2 参考配方
水性木器涂料参考配方(见表1)。
水性木器涂料参考配方
消泡剂的测试配方(见表2)。
消泡剂的测试配方
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