消泡劑---高斯進詳解消泡劑
消泡劑---高斯進詳解消泡劑
高斯進CEO-蔡凱文，細說材料 2023-12-21 12:55 發(fā)表于廣東
高斯進詳說消泡劑---關鍵詞：化工原料，消泡劑、脫泡劑，高分子材料
引言：消泡劑，是消除泡沫的一種添加劑。在涂料、紡織、醫(yī)學、發(fā)酵、造紙、水處理及石油化工等領域生產(chǎn)和應用過程中會產(chǎn)生大量的泡沫，進而影響到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程。基于對泡沫的抑制、消除，生產(chǎn)時通常要把特定量的消泡劑加入其中。消泡劑能降低水、溶液、懸浮液的表面張力，防止泡沫形成，使原有泡沫減少或消滅的物質(zhì)。
消泡劑應具備下列性質(zhì)：①消泡力強，用量少；②加到起泡體系中不影響體系的基本性質(zhì)，即不與被消泡體系起反應；③表面張力小；④ 與表面的平衡性好；⑤耐熱性好；⑥擴散性、滲透性好，正鋪展系數(shù)較高；⑦化學性穩(wěn)定，耐氧化性強；⑧氣體溶解性、透過性好；⑨在起泡性溶液中的溶解性?。虎鉄o生理活性，安全性高。消泡劑的應用十分廣泛，如食品工業(yè)、造紙工業(yè)、水處理、采油工業(yè)、印染工業(yè)、涂料工業(yè)、 洗滌劑工業(yè)、橡膠膠乳工業(yè)、氣溶膠工業(yè)、日化工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、奶制品工業(yè)等行業(yè)。
消泡劑的原理：涂料在生產(chǎn)、施工的過程中，因為機械攪拌等原因帶入空氣產(chǎn)生泡沫，水性涂料因配方中存在的乳化劑、潤濕分散劑等表面活性劑，使得體系的表面張力降低，穩(wěn)定了體系中的氣泡。氣泡的存在會對涂料的生產(chǎn)及涂裝造成不利的影響。
色漆在研磨過程中，氣泡在顏填料周圍形成的“空氣包”降低了剪切力的傳遞效率，使得研磨時間增長。在涂料涂裝后，殘留在表面的干泡不僅會影響涂膜的美觀，而且會成為腐蝕的中心，降低涂膜的耐久性。許多涂料組份會對起泡傾向有正面的或負面的影響，底材特性和施工條件也影響起泡傾向。所以泡沫是隨情況不同而有不同表現(xiàn)的。
上升的速度(v)與氣泡的半徑(r)和液體的粘度(η)有關。當一典型的氣泡到達液面，泡沫膜中心液體就開始流出（包圍著氣泡的液體薄層)。這種流動過程降低了泡沫膜的厚度。當膜壁厚度低于約10nm時，膜失去完整性，泡沫就破裂了（圖1）。
當然，假使所有液體的行為完全符合上述模式，那就不會有泡沫問題了，因為穩(wěn)定泡沫無法形成。所以不含表面活性劑純凈的液體（如水）中，氣泡升至表面然后爆裂?？諝馀c液體之間的界面張力太高導致氣泡不能穩(wěn)定存在。要形成穩(wěn)定泡沫，在液相中必須有穩(wěn)定泡沫的物質(zhì)存在。如體系中含有表面活性物質(zhì)，氣泡就如同表面活性劑的疏水端可穩(wěn)定存在（圖2）。這些表面活性劑分子有親水疏水端基的特性，在氣泡周圍能形成一層液膜，其中疏水一端朝向氣泡，親水一端朝向水。因此降低的氣泡和液體之間的的界面張力，穩(wěn)定了氣泡的存在。當氣泡升至液體表面時，因空氣和液體界面間也存在著表面活性分子，因而就形成了氣泡上的表面活性劑層和液體表面活性劑的穩(wěn)定雙層。這此穩(wěn)定雙層分別由空氣-液體界面上的表面活性劑單層與液體-空氣界面上的表面活性劑單層組成。
泡沫一般定義為空氣在液相中微細的分布。泡沫的特性之一是氣體和液體間存在非常大的界面，包覆著空氣，使氣泡彼此分離的液體層叫做膜。為了達到能量最低，每個液體系統(tǒng)都努力將它的表面積降到最低。因為泡沫處于高能態(tài)，因此它只有在有其他泡沫穩(wěn)定因素存在下才會存在。
氣泡在形成后即從液體內(nèi)上升至液面。按“Stokes”定律在水性涂料系統(tǒng)中，疏水物質(zhì)如乳液分子，顏料和填充料的導入和穩(wěn)定于水性體系是通過表面活性物質(zhì)來實現(xiàn)的。而乳化劑則保障乳液樹脂分子在水相中的穩(wěn)定性，顏填料可通過在潤濕劑和分散劑的作用下混合于水相介質(zhì)中。在水性體系中所有的表面活性物質(zhì)都會起泡與穩(wěn)泡。根據(jù)泡沫形成機理，氣泡單體會形成一緊密的的球形圈。根據(jù)氣泡之間排水作用的滲水過程，氣泡界面間的水會移位而集中在氣泡間的空隙間。由于這一排水作用，氣泡間的窄狹間距促使了八面體泡沫球體形成。這就是所稱的由緊密六邊形泡沫組成的泡沫聚合體（圖3）。在沒有有反作用力存在下，排液效應使兩個層面間隙不斷變窄，最終使膜厚降低至某一程度而使泡沫破裂。
但在水性體系中由于表面活性劑的存在，泡沫膜的兩個氣液界面中布滿了表面活性劑，當液體逐漸排出時，這兩個界面互相貼近，液膜厚度不斷降低就會導致泡沫破裂（圖4），但靜電排斥力會阻止這種層面之間的不斷變窄，因為最終排斥力發(fā)生作用，即相同電荷相互排斥從而調(diào)控表面活性劑分子單層間處于一個平衡的距離。結果氣泡進一步的排水和破裂被表面活性劑的靜電相斥所阻礙了（圖4）。
另一個穩(wěn)定泡沫的作用是當液膜受到外力沖擊時，有使液膜厚度恢復以及強度恢復的作用，稱之為Gibbs-Marangoni效應。例如在液體表面或氣泡因缺少表面活性劑分子使得這一部分的表面張力和其他部分不同。系統(tǒng)促使表面活性劑移動來均衡不同的表面張力（圖5）。這就是Marangoni效應。
另外，當液膜被拉伸，在拉伸表面上，表面活性劑濃度的降低，引起表面張力的升高，因而膜就縮回，使該處的表面活性劑濃度恢復并阻礙液膜的排液流失，這種泡沫穩(wěn)定化作用稱之為Gibbs彈性。
消泡劑和脫泡劑的作用方式：要使涂料體系中不含有泡沫穩(wěn)定物質(zhì)實際上是不可能的，那么只好使用消泡劑來避免泡沫的形成和/或?qū)⒁研纬傻呐菽ūM快地）消除。消泡劑是低表面張力的液體，一般必須具有以下三個性質(zhì)：
? 不溶于要消泡的介質(zhì)
? 有正的進入系數(shù)E=rF+rDF-rD(E>0)
? 有正的鋪展系數(shù)S=rF-rDF-rD(S>0)
式中rF－泡沫的表面張力；
rDF－泡沫和消泡劑的界面張力；
rD－消泡劑的表面張力；
當進入系數(shù)為正時(E>0)，消泡劑就可進入泡沫膜。如果鋪展系數(shù)為正時(S>0)，消泡劑就可在界面內(nèi)鋪展（圖6）。因為這種鋪展作用，穩(wěn)定泡沫的表面活性劑被取代，使原本是彈性的抗干擾的氣泡膜轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低內(nèi)聚力的氣泡膜。這類消泡液體的消泡作用還可以通過加入細分散的疏水顆粒（如疏水性二氧化硅）而進一步加強（尤其在水性體系中）。此時消泡液體作為載體，將顆粒輸送入泡沫膜。其消泡的原理是反潤濕效果，穩(wěn)定泡沫的表面活性劑和雙分子膜層無法潤濕疏水的固體顆粒，造成局部表面張力失衡，形成泡沫不穩(wěn)定，另外，這種顆粒還吸附或“捕捉”表面活性劑分子，而使泡沫膜破裂，提高消泡效果(圖7)。
所有的消泡劑的另一個重要特性是它們對于要消泡的介質(zhì)有“有選擇（或可控的）的不相容性”。相容性太好的消泡劑不能遷移進泡沫壁，而是進入涂料體系的液態(tài)主體中。在此情況下，消泡作用微乎其微。另一方面，如果一個消泡劑太過不相容，則導致漆膜缺陷如霧影或縮孔。合適的消泡劑的選擇可表征為在相容性和不相容性 之間尋找一個“平衡點”。如圖8所示，太好的相容性反而會導致穩(wěn)泡作用，而不是消泡作用。當然，最佳的選擇是有合適的消泡作用而無缺陷（霧影，縮孔）。
由于涂料體系的多樣性，一個消泡劑不可能對于所有的配方都有最好的效果。必須有一系列的消泡劑產(chǎn)品以適應每一種特定體系。消泡能力的細調(diào)可以通過調(diào)節(jié)用量來實現(xiàn)；消泡劑用量高一般來說會提供更好的消泡性，但是這樣可能會導致缺陷增加或使之更明顯；降低消泡劑用量，漆膜缺陷可避免，但消泡能力可能會不夠強。
“消泡”這一術語通常指消除涂料中的氣泡。但有時，將“消泡”和“脫泡”區(qū)別開來是有幫助的(圖9)。首先，氣泡必須到達表面，這個過程稱為脫泡。隨后氣泡的破裂稱為消泡，脫泡劑的功能是提高氣泡的上升速度。這些助劑使涂料中相鄰的小氣泡互相聚集合并成為大氣泡，然后，由于體積變大，向表面運動的速度加快(Stokes定律)。脫泡劑必須在整個涂層中都有效才能發(fā)揮這個作用。相反，消泡劑只在表面有效，它們只破壞上升至表面的氣泡。
一般來說，礦物油消泡劑主要用于平光和半光乳膠漆和灰泥。礦物油消泡劑由載體油和疏水顆粒所組成，還有部分乳化劑，防腐劑和其它增效成分。
憎水顆粒對消泡劑的行為也具有決定性的影響。一般使用憎水的氣相二氧化硅。然而在這方面，東莞高斯進化學高斯進GSK-702防縮孔消泡劑，GSK-705分子級消泡劑，與傳統(tǒng)的消泡劑有很大的區(qū)別，因為使用了一種改性化合物作為憎水顆粒。除了增進消泡作用外，這些改性化合物還具有另外兩個優(yōu)點:
1. 該化合物是在載體油中由液體反應物改性而得的，因而形成的顆粒更細，防沉性也有所提高，消泡劑具有更好的貯存穩(wěn)定性；
- 2. 具有更大的比表面積，對表面活性劑的吸附能力也增大了，這就保證了即使在涂料成品長期儲存之后，仍有很好的消泡活性。
消泡劑中使用的乳化劑要求能將顆粒分散在載體油內(nèi)。此外，還要求有利于消泡劑在油漆配方中的添加。烷基酚乙氧化物常用作乳化劑。
消泡劑的選擇方法和試驗標準：消泡劑的最重要的選擇標準就是它的消泡能力，試驗方法有多種。
為了區(qū)分空白樣（不加消泡劑）與各種添加了消泡劑的試樣間的消泡性能，必須使用重現(xiàn)性好的方法來混入空氣（即產(chǎn)生泡沫）。關鍵之處是必須產(chǎn)生適量的泡沫以達到區(qū)分試驗結果的目的。因為結果總是與空白樣進行對比，所以不需要一個“絕對”的方法。產(chǎn)生泡沫的方法有：將漆裝入量筒內(nèi)進行震蕩，將一個多孔圓盤在漆中上下移動，或通過一塊多孔玻璃或陶瓷向漆中鼓氣，隨后可測量所產(chǎn)生的泡沫的體積（圖10）。
另一種標準方法是在一定條件下（設定的時間和轉(zhuǎn)速），通過高速分散機攪入空氣，之后將起泡的漆淋涂于斜放的玻璃板上，當漆往下流動時能夠觀察其破泡情況，待漆干燥后，殘留的氣泡數(shù)可用來評價消泡效率。當從玻璃板背面照光時，甚至極小的氣泡也能看見。上述試驗方法完全不考慮漆的實際施工情況，但也有更接近施工情形的實驗方法：乳膠漆可利用泡沫輥筒施工來評價，可選用大孔徑的輥筒來加重起泡程度(圖11)。
裝飾性建筑涂料可通過刷涂來測試，刷涂的方式須能讓漆膜產(chǎn)生盡可能多的泡沫(圖12)。
在高填充體系中（如灰泥），測量密度的方法最為有效，密度最高的試樣消泡性最佳。
對于水性乳膠漆，常評價純的（經(jīng)稀釋過的）乳液的起泡傾向。這個方法既快速又簡便，但只能作“預試驗”。因為最終的涂料配方中還含有眾多的其它成分，它們也會影響起泡行為，因而消泡劑的試驗必須在最終的涂料體系進行。試驗應在消泡劑混入后約24小時后再進行。此外，有必要在儲存后也進行評估，因為消泡劑會隨時間而失去有效性。在50°C只要儲存四星期就可發(fā)現(xiàn)顯著的性能差異。
將消泡劑與（丙烯酸類）流平劑混用能獲得令人滿意的效果：當氣泡破裂后，涂料很快就能流平，從而避免了針孔和凹陷的形成。消泡劑只有在消泡的介質(zhì)中不可溶，并且具有一定程度的有選擇的可控的不相容性時才有效果。
這種不相容性會導致以下的潛在副作用：?光澤降低，?混濁（清漆中），?縮孔。
取決于涂料配方的具體情況，每個消泡劑各有不同的潛在副作用，所以當選擇消泡劑時決不可忽略這一問題。建議以多個消泡劑用量作試驗，以便在所希望的消泡作用和不希望的副作用之間取得適當?shù)钠胶狻?br>一個特定的涂料體系是否會起泡，不僅取決于配方本身，而且與底材和施工參數(shù)有關。所以在試驗方案中必須考慮到這些最重要的參數(shù)。這樣的方案才能保證得到明確的和實際的結果。
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