消泡剂---高斯进详解消泡剂

消泡剂---高斯进详解消泡剂

高斯进CEO-蔡凯文，细说材料 2023-12-21 12:55 发表于广东

高斯进详说消泡剂---关键词：化工原料，消泡剂、脱泡剂，高分子材料

引言：消泡剂，是消除泡沫的一种添加剂。在涂料、纺织、医学、发酵、造纸、水处理及石油化工等领域生产和应用过程中会产生大量的泡沫，进而影响到产品质量、生产过程。基于对泡沫的抑制、消除，生产时通常要把特定量的消泡剂加入其中。消泡剂能降低水、溶液、悬浮液的表面张力，防止泡沫形成，使原有泡沫减少或消灭的物质。

消泡剂应具备下列性质：①消泡力强，用量少；②加到起泡体系中不影响体系的基本性质，即不与被消泡体系起反应；③表面张力小；④ 与表面的平衡性好；⑤耐热性好；⑥扩散性、渗透性好，正铺展系数较高；⑦化学性稳定，耐氧化性强；⑧气体溶解性、透过性好；⑨在起泡性溶液中的溶解性小；⑩无生理活性，安全性高。消泡剂的应用十分广泛，如食品工业、造纸工业、水处理、采油工业、印染工业、涂料工业、 洗涤剂工业、橡胶胶乳工业、气溶胶工业、日化工业、医药工业、奶制品工业等行业。

消泡剂的原理：涂料在生产、施工的过程中，因为机械搅拌等原因带入空气产生泡沫，水性涂料因配方中存在的乳化剂、润湿分散剂等表面活性剂，使得体系的表面张力降低，稳定了体系中的气泡。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。许多涂料组份会对起泡倾向有正面的或负面的影响，底材特性和施工条件也影响起泡倾向。所以泡沫是随情况不同而有不同表现的。

上升的速度(v)与气泡的半径(r)和液体的粘度(η)有关。当一典型的气泡到达液面，泡沫膜中心液体就开始流出（包围着气泡的液体薄层)。这种流动过程降低了泡沫膜的厚度。当膜壁厚度低于约10nm时，膜失去完整性，泡沫就破裂了（图1）。

当然，假使所有液体的行为完全符合上述模式，那就不会有泡沫问题了，因为稳定泡沫无法形成。所以不含表面活性剂纯净的液体（如水）中，气泡升至表面然后爆裂。空气与液体之间的界面张力太高导致气泡不能稳定存在。要形成稳定泡沫，在液相中必须有稳定泡沫的物质存在。如体系中含有表面活性物质，气泡就如同表面活性剂的疏水端可稳定存在（图2）。这些表面活性剂分子有亲水疏水端基的特性，在气泡周围能形成一层液膜，其中疏水一端朝向气泡，亲水一端朝向水。因此降低的气泡和液体之间的的界面张力，稳定了气泡的存在。当气泡升至液体表面时，因空气和液体界面间也存在着表面活性分子，因而就形成了气泡上的表面活性剂层和液体表面活性剂的稳定双层。这此稳定双层分别由空气-液体界面上的表面活性剂单层与液体-空气界面上的表面活性剂单层组成。
泡沫一般定义为空气在液相中微细的分布。泡沫的特性之一是气体和液体间存在非常大的界面，包覆着空气，使气泡彼此分离的液体层叫做膜。为了达到能量最低，每个液体系统都努力将它的表面积降到最低。因为泡沫处于高能态，因此它只有在有其他泡沫稳定因素存在下才会存在。
气泡在形成后即从液体内上升至液面。按“Stokes”定律在水性涂料系统中，疏水物质如乳液分子，颜料和填充料的导入和稳定于水性体系是通过表面活性物质来实现的。而乳化剂则保障乳液树脂分子在水相中的稳定性，颜填料可通过在润湿剂和分散剂的作用下混合于水相介质中。在水性体系中所有的表面活性物质都会起泡与稳泡。根据泡沫形成机理，气泡单体会形成一紧密的的球形圈。根据气泡之间排水作用的渗水过程，气泡界面间的水会移位而集中在气泡间的空隙间。由于这一排水作用，气泡间的窄狭间距促使了八面体泡沫球体形成。这就是所称的由紧密六边形泡沫组成的泡沫聚合体（图3）。在没有有反作用力存在下，排液效应使两个层面间隙不断变窄，最终使膜厚降低至某一程度而使泡沫破裂。

但在水性体系中由于表面活性剂的存在，泡沫膜的两个气液界面中布满了表面活性剂，当液体逐渐排出时，这两个界面互相贴近，液膜厚度不断降低就会导致泡沫破裂（图4），但静电排斥力会阻止这种层面之间的不断变窄，因为最终排斥力发生作用，即相同电荷相互排斥从而调控表面活性剂分子单层间处于一个平衡的距离。结果气泡进一步的排水和破裂被表面活性剂的静电相斥所阻碍了（图4）。

另一个稳定泡沫的作用是当液膜受到外力冲击时，有使液膜厚度恢复以及强度恢复的作用，称之为Gibbs-Marangoni效应。例如在液体表面或气泡因缺少表面活性剂分子使得这一部分的表面张力和其他部分不同。系统促使表面活性剂移动来均衡不同的表面张力（图5）。这就是Marangoni效应。

另外，当液膜被拉伸，在拉伸表面上，表面活性剂浓度的降低，引起表面张力的升高，因而膜就缩回，使该处的表面活性剂浓度恢复并阻碍液膜的排液流失，这种泡沫稳定化作用称之为Gibbs弹性。

消泡剂和脱泡剂的作用方式：要使涂料体系中不含有泡沫稳定物质实际上是不可能的，那么只好使用消泡剂来避免泡沫的形成和/或将已形成的泡沫（尽快地）消除。消泡剂是低表面张力的液体，一般必须具有以下三个性质：
• 不溶于要消泡的介质
• 有正的进入系数E=rF+rDF-rD(E>0)
• 有正的铺展系数S=rF-rDF-rD(S>0)
式中rF－泡沫的表面张力；
rDF－泡沫和消泡剂的界面张力；
rD－消泡剂的表面张力；

当进入系数为正时(E>0)，消泡剂就可进入泡沫膜。如果铺展系数为正时(S>0)，消泡剂就可在界面内铺展（图6）。因为这种铺展作用，稳定泡沫的表面活性剂被取代，使原本是弹性的抗干扰的气泡膜转变为较低内聚力的气泡膜。这类消泡液体的消泡作用还可以通过加入细分散的疏水颗粒（如疏水性二氧化硅）而进一步加强（尤其在水性体系中）。此时消泡液体作为载体，将颗粒输送入泡沫膜。其消泡的原理是反润湿效果，稳定泡沫的表面活性剂和双分子膜层无法润湿疏水的固体颗粒，造成局部表面张力失衡，形成泡沫不稳定，另外，这种颗粒还吸附或“捕捉”表面活性剂分子，而使泡沫膜破裂，提高消泡效果(图7)。

所有的消泡剂的另一个重要特性是它们对于要消泡的介质有“有选择（或可控的）的不相容性”。相容性太好的消泡剂不能迁移进泡沫壁，而是进入涂料体系的液态主体中。在此情况下，消泡作用微乎其微。另一方面，如果一个消泡剂太过不相容，则导致漆膜缺陷如雾影或缩孔。合适的消泡剂的选择可表征为在相容性和不相容性 之间寻找一个“平衡点”。如图8所示，太好的相容性反而会导致稳泡作用，而不是消泡作用。当然，最佳的选择是有合适的消泡作用而无缺陷（雾影，缩孔）。

由于涂料体系的多样性，一个消泡剂不可能对于所有的配方都有最好的效果。必须有一系列的消泡剂产品以适应每一种特定体系。消泡能力的细调可以通过调节用量来实现；消泡剂用量高一般来说会提供更好的消泡性，但是这样可能会导致缺陷增加或使之更明显；降低消泡剂用量，漆膜缺陷可避免，但消泡能力可能会不够强。

“消泡”这一术语通常指消除涂料中的气泡。但有时，将“消泡”和“脱泡”区别开来是有帮助的(图9)。首先，气泡必须到达表面，这个过程称为脱泡。随后气泡的破裂称为消泡，脱泡剂的功能是提高气泡的上升速度。这些助剂使涂料中相邻的小气泡互相聚集合并成为大气泡，然后，由于体积变大，向表面运动的速度加快(Stokes定律)。脱泡剂必须在整个涂层中都有效才能发挥这个作用。相反，消泡剂只在表面有效，它们只破坏上升至表面的气泡。
一般来说，矿物油消泡剂主要用于平光和半光乳胶漆和灰泥。矿物油消泡剂由载体油和疏水颗粒所组成，还有部分乳化剂，防腐剂和其它增效成分。

憎水颗粒对消泡剂的行为也具有决定性的影响。一般使用憎水的气相二氧化硅。然而在这方面，东莞高斯进化学高斯进GSK-702防缩孔消泡剂，GSK-705分子级消泡剂，与传统的消泡剂有很大的区别，因为使用了一种改性化合物作为憎水颗粒。除了增进消泡作用外，这些改性化合物还具有另外两个优点:

1. 该化合物是在载体油中由液体反应物改性而得的，因而形成的颗粒更细，防沉性也有所提高，消泡剂具有更好的贮存稳定性；

1. 2. 具有更大的比表面积，对表面活性剂的吸附能力也增大了，这就保证了即使在涂料成品长期储存之后，仍有很好的消泡活性。
   消泡剂中使用的乳化剂要求能将颗粒分散在载体油内。此外，还要求有利于消泡剂在油漆配方中的添加。烷基酚乙氧化物常用作乳化剂。

消泡剂的选择方法和试验标准：消泡剂的最重要的选择标准就是它的消泡能力，试验方法有多种。
为了区分空白样（不加消泡剂）与各种添加了消泡剂的试样间的消泡性能，必须使用重现性好的方法来混入空气（即产生泡沫）。关键之处是必须产生适量的泡沫以达到区分试验结果的目的。因为结果总是与空白样进行对比，所以不需要一个“绝对”的方法。产生泡沫的方法有：将漆装入量筒内进行震荡，将一个多孔圆盘在漆中上下移动，或通过一块多孔玻璃或陶瓷向漆中鼓气，随后可测量所产生的泡沫的体积（图10）。

另一种标准方法是在一定条件下（设定的时间和转速），通过高速分散机搅入空气，之后将起泡的漆淋涂于斜放的玻璃板上，当漆往下流动时能够观察其破泡情况，待漆干燥后，残留的气泡数可用来评价消泡效率。当从玻璃板背面照光时，甚至极小的气泡也能看见。上述试验方法完全不考虑漆的实际施工情况，但也有更接近施工情形的实验方法：乳胶漆可利用泡沫辊筒施工来评价，可选用大孔径的辊筒来加重起泡程度(图11)。

装饰性建筑涂料可通过刷涂来测试，刷涂的方式须能让漆膜产生尽可能多的泡沫(图12)。

在高填充体系中（如灰泥），测量密度的方法最为有效，密度最高的试样消泡性最佳。
对于水性乳胶漆，常评价纯的（经稀释过的）乳液的起泡倾向。这个方法既快速又简便，但只能作“预试验”。因为最终的涂料配方中还含有众多的其它成分，它们也会影响起泡行为，因而消泡剂的试验必须在最终的涂料体系进行。试验应在消泡剂混入后约24小时后再进行。此外，有必要在储存后也进行评估，因为消泡剂会随时间而失去有效性。在50°C只要储存四星期就可发现显著的性能差异。
将消泡剂与（丙烯酸类）流平剂混用能获得令人满意的效果：当气泡破裂后，涂料很快就能流平，从而避免了针孔和凹陷的形成。消泡剂只有在消泡的介质中不可溶，并且具有一定程度的有选择的可控的不相容性时才有效果。
这种不相容性会导致以下的潜在副作用：•光泽降低，•混浊（清漆中），•缩孔。
取决于涂料配方的具体情况，每个消泡剂各有不同的潜在副作用，所以当选择消泡剂时决不可忽略这一问题。建议以多个消泡剂用量作试验，以便在所希望的消泡作用和不希望的副作用之间取得适当的平衡。
一个特定的涂料体系是否会起泡，不仅取决于配方本身，而且与底材和施工参数有关。所以在试验方案中必须考虑到这些最重要的参数。这样的方案才能保证得到明确的和实际的结果。
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