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水性涂料用添加剂之消泡剂

作者:河北金星方圆工贸有限公司  阅读:426次  发表时间:2014-03-14 13:46:43

  当今全世界每年排放出的VOC(可挥发性有机物)量达2000万t。其中来自汽车尾气的为1000万t,来自涂料的为350万t,对于涂料行业而言,如何减少VOC的排放量已成为一大课题。各生产商根据时代的要求,竭力开发、生产“适合环保型涂料”,以粉末涂料、水性涂料代替原有的溶剂型涂料。
  作者将围绕水性涂料用助剂,对消泡剂、增稠剂及分散剂的功能作用作逐一介绍。
  本文先介绍说明消泡剂。在水性涂料中,构成涂料的合成树脂、乳液、分散剂、增稠剂、流平剂、润湿剂、乳化剂等的利用非常活跃,其结果造成了涂料自身易起泡,而泡有稳定性持久的倾向。
  另一方面,涂料制造工程,涂装工程中的自动化,省力化的技术日新月异,特别是涂料生产及涂装的高速化,造成了涂料中乱气流、飞沫、冲击、气穴现象的发生,愈发促成了易产生气泡的条件,故消泡剂的作用亦愈加明显重要。
  在涂料方面,与消泡剂有直接关系的因素很多。具体而言,为了实现少量添加即可发挥消泡剂界面特性的效果,设计了不溶于涂料且有分散作用的助剂。因此消泡剂容易移动到涂料面,这样有破坏气泡及破坏残留气泡的作用。相反,在一些场合下,会出现被排斥、凹陷、乱色、光泽低下、凹凸不平、妨碍低污染等问题。另外,经年日久使之与涂料相溶,消泡的持续效果会降低。因此,选择适合的消泡剂是非常重要的。
  1消泡剂的分类及其作用构造
  1消泡剂的分类
  根据其作用分类,消泡剂可分为破泡剂、抑泡剂和脱泡剂三种类型。
  破泡剂是在液体起泡后加入,它能迅速将气泡破坏,降低液面。譬如在工业涂料的循环线上出现气泡时,及时添加的助剂即为破泡剂。
  抑泡剂是为预防涂料起泡的助剂。在涂装现场用毛辊刷或喷涂等形式于涂装前加入,可预防起泡现象。
  脱泡剂是在液体中发挥效能聚集泡中的空气,在生产涂料时使用,可以减少气泡使涂料易于研磨。对于泡膜较厚的高粘度涂料,也可以起到减少膜中的气泡的作用。
  消泡剂一般均含有破泡、抑泡、脱泡的多种作用,有时做到十分明确的区分比较困难,最好根据用途的不同选择合适的、具有最佳作用的助剂。
  1.2.1作用构造
  水性涂料用的消泡剂含有不溶于水的疏水性成分。疏水性微粒子存在于溶于水的消泡剂成分中,因而具有集中于液面的物理特性。这一性质决定了消泡剂可以有效地吸收水中的气泡和存在于液面的气泡。
  另外,消泡剂的成分还具有表面张力低,在起泡液体表面中进行扩张,具有使气泡的泡膜变薄的性质。而且也具有消除吸附于气泡表面的,保持气泡稳定的界面活性剂的性质。消泡剂的这些性质可以有效的消除气泡。
  在实际运用中,液体中发生气泡后,由于消泡剂的加入使气泡与气泡接触形成更大的气泡并快速地上升至表面,实现脱泡。具体涂装时,涂装完毕后没有立即出现气泡,或者在干燥前气泡已经消失。另外在涂料生产时,可使发生的气泡消失,并阻止了液面的上升。
  1.2.1破泡
  破泡剂通过吸附泡和与表面张力的作用侵入泡膜。其后,表面张力将破泡剂扩散于泡膜的表面,使泡膜变薄,破坏泡沫(如图1所示)。
  侵入系数E:oW+oi一>0
  扩散系数S:oW—oi—oo>0
  其中:oW——泡膜的表面张力
  o0——消泡剂的表面张力
  oi——泡膜和破泡剂的界面张力
  1.2.2抑泡
  抑泡剂和液体中起泡性物质一同吸附于气泡上。吸附抑泡剂的泡膜表面张力低下,泡膜变薄,导致破损。因此,泡沫变得不稳定,浮上液面时被破坏掉(如图2所示)。
  1.2.3脱泡
  脱泡剂在液体中吸附于气泡。气泡相互吸附后,在吸附界面破损形成一个大气泡。因浮力增大加快了上升的速度,促进了脱泡(如图3所示)。
  2.1有关化学组成
  作为消泡剂的有效化学成分很多,主要有金属皂、石蜡、硅酮和复合硅酮等4大类。一般而言,将上述4类物质单独加入涂料中无任何消泡效果。但是靠这些物质的化学变化及相互配合就可发挥显著的消泡效果。消泡剂主要是由降低涂料的表面张力、进入并破坏泡膜等消泡成分所构成,且促使这些化合物快速配合构成。
  其中,通过微量的硅酮、复合硅酮发挥效果,将原有的金属皂、石蜡类的消泡剂转型,现在已被广泛的使用。
  2.2消泡剂的物理特性(破泡理论)
  消泡剂是利用其界面特性起到消泡效果的,根据破泡理论,通过泡膜和消泡剂的表面张力找出界面引力要求的侵入系数(E)和扩张系数(s)中所表述的消泡作用的相互关系。在水性涂料中建筑乳液和消泡剂的表面上,测定其界面张力的结果,如表1所示。
  侵入系数(E),扩张系数(s),其值越大。消泡效果就越好。表1的结果显示,硅酮及复合硅酮类的消泡剂比起金属皂、石蜡类的消泡剂而言效果极强。
  2.3消泡剂的泡膜粘弹性理论
  前面已经提到了表面界面张力的侵入扩张系数和消泡效果有相应的关系。但是实际上还有尚未探明的类型。譬如,在乳液浓度较高的涂料类型中,其类型的表面张力和添加的消泡剂的表面张力近似。无法用破泡理论说明。图4所示为表面张力计测定的涂料表面张力和层状长度的结果。在此图中可以看到即使添加了消泡剂。表面张力几乎没有什么变化。但是板层长度却大大减少。图5中显示了因消泡剂成分的不同,消泡性(含泡率)和板层长度的关系。表2中体现了消泡剂种类的不同与板层长度的关系。这些结果显示,硅酮及复合硅酮类的消泡剂与金属皂、石蜡类的消泡剂相比,板层长度值小,表面弹性低,因此消泡容易。
  3消泡剂的适用性
  在实际应用的涂料类型中,合成树脂、乳液、分散剂、增稠剂、流平剂、润湿剂、乳化剂等添加了有起泡作用的界面活性剂。为了选择效果好的消泡剂,必须了解添加这些界面活性剂后的消泡效果及基本特性,我们对此进行了研究。
  图6为在丙烯酸涂料中加入阴离子界面活性剂后,同一涂料中加入非离子界面活性剂后的消泡结果。由此可以看出,加入阴离子界面活性剂的涂料比加入非离子界面活性剂的涂料起泡要多而且不易消泡。这种现象是因泡膜液体的推流作用造成了液体的吸附层分子的结合力、亲水性的增强。而且通过泡膜的电荷作用起到了气泡的稳定化作用。据此观点可以认为,与非离子相比,加入电荷强的阴离子界面活性剂后的涂料出现了不易消泡的现象。因此,金属皂类、石蜡类的消泡剂在添加非离子界面活性剂的涂料中有效,在添加阴离子界面活性剂的涂料中效果不太理想。但是,硅酮、复合硅酮类的消泡剂,不仅对添加非离子界面活性剂有效,而且对添加阴离子界面活性剂也发挥消泡效果。消泡剂因种类的不同。与起泡因子有关的阴离子界面活性剂中的离子性有选择性,因此与金属皂类、石蜡类的消泡剂相比,对于硅酮、复合硅酮类的消泡剂而言。无论涂料中添加了何种界面活性剂,其消泡效果均非常好。
  4消泡剂的问题点
  被排斥·凹陷在涂料中添加消泡剂时会有被排斥·凹陷等问题的发生。消泡剂本身是由不溶性物质构成的,因此消泡剂的选择、添加方法、添加量发生偏差时,会导致被排斥·凹陷的发生。形成被排斥,凹陷的原因是不溶成分强烈扩张的结果。伴随着不溶性成分扩张。与其相接触的液体同时产生移动,发生磨擦现象,导致被排斥·凹陷。
  表3说明,因消泡剂的成分不同,消泡剂分散液滴的大小也不同。硅酮、复合硅酮类的消泡剂的液滴比金属皂类、石蜡类的消泡剂要小,被排斥,凹陷的发生也少。
  4.2对涂膜表面的低污染性的阻碍
  建筑外用涂膜经年日久后,污染非常明显,特别是窗框周围被雨水冲刷的部分及沿水流方向污垢更为严重。其原因之一是一般涂膜的表面为疏水性物质,易于吸附大气中的含有的亲油性的被污染物质,该污垢不会随雨水被冲刷掉因而残留下来。低污染性涂料是为易于降水冲刷污垢而设计的,涂膜表面具有亲水性。另一方面,消泡剂的主要成分是由亲油物质构成的,它妨碍了涂膜表面的亲水性作用。
  表4中显示了因消泡剂成分的不同,涂膜表面流水的接触角亦不相同。由此可见,复合硅酮类消泡剂与金属皂、石蜡、硅酮类消泡剂相比,其接触角小,对低污染阻碍少。
  5结束语
  随着水性涂料高性能化、复合化的不断推进,消泡技术也逐渐成为难题。本文作者在研究考察界面化学的基础上,迅速对应用户需求,研制开发适用的消泡剂。