消泡劑---高斯進(jìn)詳解消泡劑

消泡劑---高斯進(jìn)詳解消泡劑

高斯進(jìn)CEO-蔡凱文，細(xì)說(shuō)材料 2023-12-21 12:55 發(fā)表于廣東

高斯進(jìn)詳說(shuō)消泡劑---關(guān)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(xué)、發(fā)酵、造紙、水處理及石油化工等領(lǐng)域生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫，進(jìn)而影響到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過(guò)程?；趯?duì)泡沫的抑制、消除，生產(chǎn)時(shí)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(yīng)具備下列性質(zhì)：①消泡力強(qiáng)，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(yīng)；③表面張力??；④ 與表面的平衡性好；⑤耐熱性好；⑥擴(kuò)散性、滲透性好，正鋪展系數(shù)較高；⑦化學(xué)性穩(wěn)定，耐氧化性強(qiáng)；⑧氣體溶解性、透過(guò)性好；⑨在起泡性溶液中的溶解性小；⑩無(wú)生理活性，安全性高。消泡劑的應(yīng)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(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)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(rùn)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(huì)對(duì)涂料的生產(chǎn)及涂裝造成不利的影響。
色漆在研磨過(guò)程中，氣泡在顏填料周?chē)纬傻摹翱諝獍苯档土思羟辛Φ膫鬟f效率，使得研磨時(shí)間增長(zhǎng)。在涂料涂裝后，殘留在表面的干泡不僅會(huì)影響涂膜的美觀，而且會(huì)成為腐蝕的中心，降低涂膜的耐久性。許多涂料組份會(huì)對(duì)起泡傾向有正面的或負(fù)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(guān)。當(dāng)一典型的氣泡到達(dá)液面，泡沫膜中心液體就開(kāi)始流出（包圍著氣泡的液體薄層)。這種流動(dòng)過(guò)程降低了泡沫膜的厚度。當(dāng)膜壁厚度低于約10nm時(shí)，膜失去完整性，泡沫就破裂了（圖1）。

當(dāng)然，假使所有液體的行為完全符合上述模式，那就不會(huì)有泡沫問(wèn)題了，因?yàn)榉€(wěn)定泡沫無(wú)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(dǎo)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?chē)苄纬梢粚右耗ぃ渲惺杷欢顺驓馀?，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(dāng)氣泡升至液體表面時(shí)，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(xì)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(dá)到能量最低，每個(gè)液體系統(tǒng)都努力將它的表面積降到最低。因?yàn)榕菽幱诟吣軕B(tài)，因此它只有在有其他泡沫穩(wěn)定因素存在下才會(huì)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(dǎo)入和穩(wěn)定于水性體系是通過(guò)表面活性物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而乳化劑則保障乳液樹(shù)脂分子在水相中的穩(wěn)定性，顏填料可通過(guò)在潤(rùn)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(huì)起泡與穩(wěn)泡。根據(jù)泡沫形成機(jī)理，氣泡單體會(huì)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(guò)程，氣泡界面間的水會(huì)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(chēng)的由緊密六邊形泡沫組成的泡沫聚合體（圖3）。在沒(méi)有有反作用力存在下，排液效應(yīng)使兩個(gè)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(gè)氣液界面中布滿了表面活性劑，當(dāng)液體逐漸排出時(shí)，這兩個(gè)界面互相貼近，液膜厚度不斷降低就會(huì)導(dǎo)致泡沫破裂（圖4），但靜電排斥力會(huì)阻止這種層面之間的不斷變窄，因?yàn)樽罱K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(gè)平衡的距離。結(jié)果氣泡進(jìn)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(gè)穩(wěn)定泡沫的作用是當(dāng)液膜受到外力沖擊時(shí)，有使液膜厚度恢復(fù)以及強(qiáng)度恢復(fù)的作用，稱(chēng)之為Gibbs-Marangoni效應(yīng)。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(dòng)來(lái)均衡不同的表面張力（圖5）。這就是Marangoni效應(yīng)。

另外，當(dāng)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(fù)并阻礙液膜的排液流失，這種泡沫穩(wěn)定化作用稱(chēng)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(shí)際上是不可能的，那么只好使用消泡劑來(lái)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(gè)性質(zhì)：
? 不溶于要消泡的介質(zhì)
? 有正的進(jìn)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(dāng)進(jìn)入系數(shù)為正時(shí)(E>0)，消泡劑就可進(jìn)入泡沫膜。如果鋪展系數(shù)為正時(shí)(S>0)，消泡劑就可在界面內(nèi)鋪展（圖6）。因?yàn)檫@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(lèi)消泡液體的消泡作用還可以通過(guò)加入細(xì)分散的疏水顆粒（如疏水性二氧化硅）而進(jìn)一步加強(qiáng)（尤其在水性體系中）。此時(shí)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(rùn)濕效果，穩(wěn)定泡沫的表面活性劑和雙分子膜層無(wú)法潤(rùn)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(gè)重要特性是它們對(duì)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(jìn)泡沫壁，而是進(jìn)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(gè)消泡劑太過(guò)不相容，則導(dǎo)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(gè)“平衡點(diǎn)”。如圖8所示，太好的相容性反而會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)泡作用，而不是消泡作用。當(dāng)然，最佳的選擇是有合適的消泡作用而無(wú)缺陷（霧影，縮孔）。

由于涂料體系的多樣性，一個(gè)消泡劑不可能對(duì)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(yīng)每一種特定體系。消泡能力的細(xì)調(diào)可以通過(guò)調(diào)節(jié)用量來(lái)實(shí)現(xiàn)；消泡劑用量高一般來(lái)說(shuō)會(huì)提供更好的消泡性，但是這樣可能會(huì)導(dǎo)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(huì)不夠強(qiáng)。

“消泡”這一術(shù)語(yǔ)通常指消除涂料中的氣泡。但有時(shí)，將“消泡”和“脫泡”區(qū)別開(kāi)來(lái)是有幫助的(圖9)。首先，氣泡必須到達(dá)表面，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為脫泡。隨后氣泡的破裂稱(chēng)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(yùn)動(dòng)的速度加快(Stokes定律)。脫泡劑必須在整個(gè)涂層中都有效才能發(fā)揮這個(gè)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(lái)說(shuō)，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(duì)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(jìn)化學(xué)高斯進(jìn)GSK-702防縮孔消泡劑，GSK-705分子級(jí)消泡劑，與傳統(tǒng)的消泡劑有很大的區(qū)別，因?yàn)槭褂昧艘环N改性化合物作為憎水顆粒。除了增進(jìn)消泡作用外，這些改性化合物還具有另外兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1. 該化合物是在載體油中由液體反應(yīng)物改性而得的，因而形成的顆粒更細(xì)，防沉性也有所提高，消泡劑具有更好的貯存穩(wěn)定性；

1. 2. 具有更大的比表面積，對(duì)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(zhǎng)期儲(chǔ)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：消泡劑的最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)就是它的消泡能力，試驗(yàn)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(lái)混入空氣（即產(chǎn)生泡沫）。關(guān)鍵之處是必須產(chǎn)生適量的泡沫以達(dá)到區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的目的。因?yàn)榻Y(jié)果總是與空白樣進(jìn)行對(duì)比，所以不需要一個(gè)“絕對(duì)”的方法。產(chǎn)生泡沫的方法有：將漆裝入量筒內(nèi)進(jìn)行震蕩，將一個(gè)多孔圓盤(pán)在漆中上下移動(dòng)，或通過(guò)一塊多孔玻璃或陶瓷向漆中鼓氣，隨后可測(cè)量所產(chǎn)生的泡沫的體積（圖10）。

另一種標(biāo)準(zhǔn)方法是在一定條件下（設(shè)定的時(shí)間和轉(zhuǎn)速），通過(guò)高速分散機(jī)攪入空氣，之后將起泡的漆淋涂于斜放的玻璃板上，當(dāng)漆往下流動(dòng)時(shí)能夠觀察其破泡情況，待漆干燥后，殘留的氣泡數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)消泡效率。當(dāng)從玻璃板背面照光時(shí)，甚至極小的氣泡也能看見(jiàn)。上述試驗(yàn)方法完全不考慮漆的實(shí)際施工情況，但也有更接近施工情形的實(shí)驗(yàn)方法：乳膠漆可利用泡沫輥筒施工來(lái)評(píng)價(jià)，可選用大孔徑的輥筒來(lái)加重起泡程度(圖11)。

裝飾性建筑涂料可通過(guò)刷涂來(lái)測(cè)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(cè)量密度的方法最為有效，密度最高的試樣消泡性最佳。
對(duì)于水性乳膠漆，常評(píng)價(jià)純的（經(jīng)稀釋過(guò)的）乳液的起泡傾向。這個(gè)方法既快速又簡(jiǎn)便，但只能作“預(yù)試驗(yàn)”。因?yàn)樽罱K的涂料配方中還含有眾多的其它成分，它們也會(huì)影響起泡行為，因而消泡劑的試驗(yàn)必須在最終的涂料體系進(jìn)行。試驗(yàn)應(yīng)在消泡劑混入后約24小時(shí)后再進(jìn)行。此外，有必要在儲(chǔ)存后也進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)橄輨?huì)隨時(shí)間而失去有效性。在50°C只要儲(chǔ)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(lèi)）流平劑混用能獲得令人滿意的效果：當(dāng)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(shí)才有效果。
這種不相容性會(huì)導(dǎo)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(gè)消泡劑各有不同的潛在副作用，所以當(dāng)選擇消泡劑時(shí)決不可忽略這一問(wèn)題。建議以多個(gè)消泡劑用量作試驗(yàn)，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(dāng)?shù)钠胶狻?br>一個(gè)特定的涂料體系是否會(huì)起泡，不僅取決于配方本身，而且與底材和施工參數(shù)有關(guān)。所以在試驗(yàn)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(shí)際的結(jié)果。
涂料的完美解決方案---東莞高斯進(jìn)化學(xué)高斯進(jìn)GSK-702防縮孔消泡劑，GSK-705分子級(jí)消泡劑，是東莞高斯進(jìn)精細(xì)化工有限公司專(zhuān)為水基體系開(kāi)發(fā)的涂料消泡劑，用于乳膠漆，工業(yè)涂料，水性粘結(jié)劑，裝飾涂料，高分子和高分子分散的高效消泡劑。可以在生產(chǎn)的不同階段加入來(lái)控制泡沫（研磨和調(diào)稀階段都可以加入）