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水性涂料用消泡剂的作用机制及发展趋势

来源:佐敦涂料(张家港)有限公司 作者:季兴宏 时间:2019-04-14 点击:
导读:对水性涂料中气泡的产生及稳定效应进行了阐述,并从热力学角度分析比较了消泡剂发挥作用的必要条件及作用机制,以此深层次理解不同化学组成的消泡剂作用效率差异性的根本原因。最后,对水性涂料用消泡剂的未来发展趋势进行了展望。
0 前 言
气泡控制在众多工业领域都是必要的,如造纸 业、水处理、医药、染料及涂料行业。随着国家环保 法规的持续升级和居民环保意识的不断提高,水性涂 料取得了长足的发展。水性涂料配方中存在的乳化 剂、润湿分散剂,使得体系的表面张力降低,容易稳定 体系中的气泡。而气泡的存在会对涂料的生产及涂装 造成不利的影响。色漆在研磨过程中,气泡在颜填料 周围形成的 “空气包”降低了剪切力的传递效率,使得研磨时间增长。在涂料涂装后,残留在表面的干泡不 仅会影响涂膜的美观,而且会成为腐蚀的中心,降低 涂膜的耐久性。为了杜绝这些问题,几乎所有的水性 涂料均需要添加消泡剂。消泡剂的活性组分可以通过 干扰和破坏气泡的稳定效应来达到消泡的目的。不同 类型的消泡剂作用方式不尽相同,因此理解消泡剂的 作用机制有助于系统地调节其中的关键物理化学参 数,使得机理中的主要步骤可控,以达到最佳的消泡 效率。

1 气泡的稳定
水性涂料在生产过程中,机械搅拌容易将空气带 入体系。涂料的施工过程中,刷涂、辊涂及喷涂都容易 将气体带入湿膜中。另外一些多孔的基材,如木板及 水泥随着涂料的湿润和渗透,会将气体释放到涂膜 中。这些带入到涂料体系的气体被液相包围而形成气 泡,并依靠静电作用及表面张力梯度而维持稳定。
1.1 静电作用
水性涂料配方中含有多种表面活性剂物质,其特 点是分子中包含一个极性或者电荷化的亲水端基和 一个疏水的碳氢链。这种独特的分子结构使得表面活 性剂容易在气液界面形成定向排列的胶束,如图1所 示,亲水端朝向水相,疏水端朝向空气。
静电作用下气泡的稳定过程
由于空气的密度小于涂料,因此气泡一旦产生后 将会上浮至涂料界面。根据斯托克斯定律,气泡上升 的速度取决于气泡的半径以及涂料的黏度[4]。气泡半 径越大,涂料的黏度越低,则气泡上升的速度越快。通 常存在于涂料中的微泡比表面积较大,导致其表面自 由能很高。从热力学角度看,微泡很不稳定,会自发地 发生相互融合,成为比表面积更小即自由能更低的宏 泡。当宏泡上升至液面处时,气泡上气液界面的亲水 基与涂料气液界面处的亲水基产生相互排斥作用,使 得气泡处于稳定的状态而不易破裂。
1.2 马兰格尼(Marangoni)效应
在纯水体系没有表面活性剂时,通过外力作用产 生的气泡从液相主体上升至液面处。由于重力作用, 气泡膜上部的液体将会顺着气泡膜上的气液界面向 下流回液相主体,造成气泡液膜的厚度逐渐降低。当 液膜厚度低于临界膜厚10 nm时,将导致气泡破裂。 而在表面活性剂存在的情况下,如图2(a)和图2(b)所 示,气泡上部的表面活性剂分子也会随着液体下排而 减少,导致上部的表面张力将会比气泡两侧高。表面 张力是一种能量态,总是倾向于从低表面张力流向高表面张力。这样气泡两侧的液体将会重新流向表面张 力高的上部,产生与重力排水相反的作用力,如图2(c) 所示,这种液体的逆向流动称为马兰格尼流动。当这 两种作用力在到达气泡临界厚度前达到一种平衡态 时,将会产生图2(d)中稳定的气泡。
马兰格尼效应下气泡的稳定过程
在这种双向流动的过程中,气泡膜将会发生一定 的拉伸过程。若气泡具有一定的弹性则更有利于气泡 的稳定。根据式(1)所示吉布斯弹性理论,其中F为弹 性参数, A为气泡的表面积, γ为液相表面张力。为了 使气泡获得一定的弹性,液体的表面张力需要随着气 泡的表面积变化而变化,使得dγ/dA的值大于0。

在气泡收缩和伸展过程中,如果气泡不能改变其 表面张力,那么气泡将会由于较高的刚性而破裂。纯水 的表面张力几乎不会改变,因此气泡不能稳定存在。
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