在低voc水性系统中对抗宏观和微泡沫的机制| PCI杂志

在有机改性硅胶平台上设计的除氧器提供了优越的宏观和微泡沫抑制能力。

在20世纪80年代初，国内油墨和涂料行业开始努力提供帮助涂料制造商降低VOC排放的188BET竞彩产品。该行业使用了许多方法，包括但不限于免溶剂，增加涂料配方剂和水性涂料的溶剂捕获。

每种方法都有积极和消极的考虑。使用EPA方法24计算中免除的溶剂可以降低VOC的输出，但由于与某些树脂的溶解度有限，因此效果甚微。使用溶剂捕获设备过去是，现在也是一个可行的选择，但受到高资本和维护成本的限制。在当时的创新推动下，水基系统是符合不断发展的VOC和HAPS(有害空气污染物)法规的最经济的方式。然而，用于这些系统的树脂和乳液需要表面活性剂(肥皂)使它们在水介质中兼容。不幸的是，这些添加剂，加上其他用于增强颜料和基材润湿等性能的添加剂，会导致油墨和涂料中的泡沫形成。

如今，进一步降低排放水平的需求——再加上多用途原材料——更有可能制造出泡沫透明涂料。188金宝搏bet官网本文研究了利用有机改性硅氧烷技术来控制泡沫的扩散，同时保持所需的性能

图1点击放大

泡沫物理

泡沫是由表面活性剂双层——泡沫层——稳定的大量气泡，在这种情况下，在墨水或涂层表面形成的液体薄膜基质中。“in”一词指的是微泡沫，而“on”一词指的是大泡沫(图1)。让我们先看看每种类型的特征。

图1一个点击放大

在涂层表面发现的大泡沫含有气泡-通常为>100微米-上升非常快。根据斯托克斯定律(图1A)，气泡的大小显著影响其在流体中上升的速度，速度与气泡半径成正比;因此，气泡越大，速度越快。斯托克斯定律也有粘度成分:上升气泡的速度随着粘度的增加而减小。然而，考虑到水性油墨和涂料的应用粘度相当低，以及它们相对较低的涂层重量和厚度，在没有其他因素的情况下，泡沫应该迅速消散。(1、2)

图2点击放大

前面提到的导致泡沫形成的因素包括聚合物体系中的表面活性剂包和解决涂层体系关键性能所需的功能添加剂。一般来说，许多类别的消泡剂将消除油墨和涂料中的大泡沫(图2)，因为它们是表面活性剂。通过将消泡剂喷洒在液体薄膜的顶部或将其添加在液相中，消泡剂通过作用于泡沫薄片内并使其不稳定来破坏泡沫。这类消泡剂可能不需要高速掺入。

另一方面，微泡沫(图3)由于其小半径气泡上升速度不够快而被夹带在液体膜内。根据斯托克斯定律，在相同粘度的液体中，这些气泡(通常为10到100微米)的上升速度比大泡沫无限慢。因此，由于它仍然夹带，微泡沫导致许多问题后固化薄膜。配方商必须使用一种非常特殊的泡沫失稳添加剂来去除水性表面涂料中的微泡沫。

图3点击放大

不稳定添加剂

市场上许多产品声称可以消除水基体系中的泡沫(图4)。它们的性能依赖于不相容、低表面张力、疏水性质等特性，以及其他机制来防止或破坏泡沫层，或两者兼有。

图4点击放大

一般来说，消泡剂由几种化合物组成，总的来说，它们与涂料体系不兼容。如果消泡剂与系统过于兼容，就会出现问题，例如，随着时间的推移，它们变得效率低下。然而，如果它们与系统太不兼容，消泡剂可能是高效的灭泡剂，但会在应用的薄膜中引起问题。因此，理想的解决方案是平衡兼容性和不兼容性以获得最大效率。

不稳定剂是多组分添加剂，具有不同种类的功能材料。188金宝搏bet官网主要成分有三类:载体，占配方的75-90%;疏水成分，5-10%不等;和其他特殊物质(例如，杀菌剂、增稠剂、乳化剂)占0-20%。

载体的作用是在表面扩散，去除表面活性剂分子层。因此，它的表面张力比水低。该载体的另一个重要特性是为失稳包的疏水成分到达表面活性剂双层提供了途径。载体还必须是不溶性的，与溶剂(水)不相容才能上升到表面。消泡剂成分形成的单层与泡沫泡的双层相比，其表面弹性较低。石油可以成为不稳定剂的载体。矿物油用途最广，成本最低。石蜡(医用白色)油符合卫生法规(FDA)。此外，植物油、硅油、聚硅氧烷、有机改性硅氧烷和水都可以作为载体。脂肪酸、脂肪醇和聚乙烯醚也被使用。

消泡剂的疏水成分可以以液体或固体形式使用。在液体状态下，它们以乳液液滴的形式存在(图5)。

图5点击放大

疏水材料的粒径是穿透表面活性剂双层的重要因素(图6)，其粒188金宝搏bet官网径必须在0.1 ~ 20 μ m之间。颗粒尺寸过小会显著降低效果，因为水会进入双层，稀释消泡剂颗粒的浓度。如果颗粒尺寸过大，颗粒无法穿透双层，微气泡不会坍塌成宏观气泡，宏观气泡更容易在表面破裂。疏水成分的一个重要任务是从双层中吸收表面活性剂分子，从而产生表面张力的增加，从而促进泡沫层的扩散和最终破裂。消泡剂配方中疏水颗粒的总浓度是有限的，因为表面活性剂分子的总浓度必须保持在一定范围内，以避免涂层乳液的不稳定。用作疏水颗粒的化合物包括蜡、气相二氧化硅、金属皂、聚丙烯乙二醇、酰胺和聚氨酯。(3、4)

图6点击放大

Microfoam问题

一些消泡机制很容易消散大泡沫，但微泡沫是不同的，是一个需要解决的复杂问题。由于微泡沫尺寸小，肉眼通常不可见，但它对干燥涂层的负面影响不容忽视:表面缺陷、颜色控制和清晰度/雾霾。

也许微泡沫造成的最明显的表面缺陷是针孔。在需要更均匀涂层的屏障性能的基材上，微泡沫创造了一个与环境接触的途径，可能导致风化、变质或腐蚀损坏。由于传统的消泡剂添加剂难以消除微泡沫，必须采用新的和不同的技术。接下来的研究集中在泡沫失稳技术，该技术使用聚醚改性硅氧烷化学与疏水成分，以下称为除氧器(1,5-6)。

图7点击放大

除氧器评估(7,8)

图8点击放大

优化A类物质

优化聚醚改性硅氧烷除氧性能的程序探索了调整一些变量的影响:
A.1 -极性亲水亲脂平衡(HLB);
A.2 -聚合度(DP);
A.3 -有机硅氧烷比;而且
A.4 -结束阻塞。

在这种情况下，调整A类物质的HLB特性可以显著改善脱氧。改变分子量改变了一些产物的HLB特性，如图8所示。对产品进行了有机改性，并对其去除微泡沫的效果进行了测试。

这些显微图中所描述的测试结果清楚地表明，具有强疏水性的产品不一定会产生最佳结果(图8)。为了有效消除微泡沫，必须在亲水性和疏水性之间取得关键平衡，如图a .1物质的测试涂层系统所示(图8)。

a .物质的进一步优化

图9点击放大

为了在涂层系统中提供更容易的分散，除氧器a .1的活性成分可以以不同的形式进行复合:由表面活性剂稳定的水中乳液;浓缩100%活性物质;以及乙二醇或乙二醇醚的稀释。

初步评价使用物质A.1的浓缩形式;因此，接下来创建用于测试的组合物是乳液和乙二醇醚稀释(图9)。这两种形式的活性成分被平衡，以在每个测试配方中提供相同总量的活性物质。对比图9中的显微图，A.1的浓缩版无可否认地提供了优越的微泡沫耗散。

对于乳化液和稀释变体所显示的效率不足存在许多解释，但普遍的理论是，非浓缩形式的输送具有更高的溶解度特征。到达液-空气界面的活性组分较少，不能作用于泡沫板。

A.1精矿的最终优化

图10点击放大

这一阶段的测试比较了同一种物质A.1浓缩物的两个版本:一个没有疏水颗粒(A.1.1)，另一个有气相二氧化硅疏水颗粒(A.1.2)。用这些产品配制的两种油墨的显微图如图10所示。图10中a .1.2的性能清楚地说明了包括疏水成分以提高泡沫失稳效率的价值。

结论

在有机改性硅胶平台上设计的除氧器-更具体地说，含有疏水部分的硅胶聚醚-提供了优越的宏泡沫和微泡沫抑制能力在这项研究中，TEGO®Airex 901W和Airex 902W已被证明是在含有高表面活性剂水平的水性油墨和涂料中消散微泡沫的最有效添加剂。对许多油墨和涂料的进一步研究提供了额外的证据，表明Airex 901W和Airex 902W是难以消除宏观和微泡沫的系统的理想选择。(建议配方见附录)

随着涂料市场转向更环保的系统，几乎不需要使用溶剂，泡沫问题将成为等式的一部分。这需要涂料制造商和添加剂供应商的共同努力，继续设计和优化未来的环保产品。