为新的水性涂料配方选择消泡剂的通常程序是什么?对于许多公司来说，这个过程似乎是这样的:尝试你目前使用的消泡剂;如果这些都不管用，那就在实验室里试试样品，问问同事或朋友，也许，问问供应商。当使用相似的配方时，这种方法很有意义，因为消泡剂通常在相似的配方中具有一致的性能。然而，当这些经过试验和信赖的消泡剂不起作用时，化学家就面临着寻找合适产品的令人沮丧的任务。在英国有一个真理，“如果所有其他方法都失败了，请阅读说明，”然而，消泡剂通常不会附带说明。如果他们这样做不是很好吗?
寻找合适的消泡剂存在困难，因为每种消泡剂的性能受其所用配方的影响;改变配方，消泡剂的性能也会改变。消泡剂的选择也是为最终使用准备配方的最后步骤之一，因此配方的其余部分已经基本确定，消泡剂必须在该配方中工作。本文简要回顾了消泡剂的化学和配方，并描述了消泡剂的性能是如何受到涂料中其他配方成分的影响的。它还介绍了一系列新的消泡剂，这些消泡剂相对于其他消泡剂提供一致和可预测的性能，因此不成功的测试结果可以指导选择下一个消泡剂进行测试，具有更大的成功机会。
泡沫理论
泡沫是一种分散在液体表面的气泡，通常是空气，可以通过多种方式产生，但最常见的是通过大力混合。用一瓶水做一个简单的摇晃试验就会发现，在纯液体中，这些气泡不稳定，很快就会破裂，破坏泡沫。小气泡会合并成更大的气泡，上升到表面，由于气泡内部的气体压力更大，气泡会膨胀。这导致每个气泡壁或薄片变薄，最终，当薄片中的液体在重力作用下流失时，气泡将破裂。
然而，水性涂料配方不是纯液体;它们是悬浮在水中并由表面活性剂稳定的许多不同材料的分散体。188金宝搏bet官网这些表面活性剂还可以稳定泡沫，因此气泡可以积聚在液体表面形成泡沫(图1)。1-3一旦泡沫出现，就会导致许多问题，包括降低生产效率和更高的能源需求，由于泡沫材料密度较低而导致的不正确的原料剂量，以及生产容器和产品包装的不完整填充。泡沫还通过减少涂层的施用量来影响涂层的应用;气泡被困在干燥膜的表面或内部，会破坏最终涂层的表面外观和保护质量。
消泡剂是从涂层中去除不需要的泡沫的最广泛使用的方法。化学消泡剂的工作原理是破坏表面活性剂稳定的气泡壁，释放被困的空气。大多数消泡剂是不同材料的复杂混合物，包括:188金宝搏bet官网
- 一种能够在气泡壁上扩散并架桥的载液，形成一层不稳定的膜，很容易破裂(图2a);载体还有利于疏水颗粒进入泡壁;
- 疏水颗粒连接薄片并通过脱湿导致破裂(图2b);
- 非泡沫表面活性剂，可取代片层表面的泡沫稳定表面活性剂(图2c);
- 添加其他成分，以提高消泡剂的稳定性，掺入和兼容性。
Garrett已经详细总结了这些机制，4，很可能在配方涂料消泡时，其中许多机制都在起作用。因此，消泡剂中的所有成分都可能对其性能至关重要。
当然，涂料配方师不仅仅关心消泡剂在去除气泡和泡沫方面的有效性;消泡剂必须在不引起不良副作用的情况下消除泡沫。破坏气泡的疏水固体和载液也会对干燥的漆膜造成问题，导致弹坑和鱼眼。这些成分在干燥(或接近干燥)薄膜表面的存在也会使其难以重涂并产生粘附问题。正是这种有效消泡和避免薄膜缺陷之间的平衡，使得为配方寻找理想的消泡剂变得如此具有挑战性和令人沮丧。
影响消泡剂性能的因素
图3显示了五种商用消泡剂(用不同颜色表示)在四种非常不同的涂料配方中的性能变化:Nuplex的35%颜料体积浓度(PVC)醇酸底漆配方;塞拉尼斯55% PVC内饰涂料配方;来自DSM的聚氨酯(PU)-丙烯酸混合清漆用于拼花地板漆配方;以及用于DSM塑料配方的聚氨酯分散体(PUD)清漆。针对每种配方和应用，采用不同的方法测量消泡性能和应用质量，然后调整为1-10级，其中10代表完美性能(无泡沫和/或完美的薄膜质量)，1代表性能较差。因此，理想的性能显示在图的右上角。
Hegedus回顾了在不同配方中影响消泡剂性能的许多不同因素，并强调了如何使用这些信息更有效地指导消泡剂的选择高粘度和高填充(高填料与粘合剂比)的配方更难消泡，但通常对缺陷不太敏感。同样，应用于厚膜的快干配方和涂料也更难消泡，通常不容易产生表面缺陷，而低粘度配方通常对表面缺陷更敏感，但更容易消泡。在高光泽配方和透明涂料中，坑、鱼眼和其他缺陷也更明显，通常需要更仔细地选择消泡剂。当涂层被应用时，刷子和滚筒通常会产生更多的表面泡沫，而喷雾技术通常会在薄膜表面以下留下气泡(微泡沫)基质也很重要;多孔基材，如木材和混凝土，对缺陷不太敏感，但当液体涂层湿润并渗透基材时，会向涂层膜中释放空气。光滑、低能的表面，如塑料，更难潮湿，更容易产生表面缺陷。
然而，即使了解了这一点，要找到一种具有可用的许多消泡剂样品的可接受性能的产品仍然具有挑战性。最近，我们测试了许多不同配方的消泡剂，并观察到不同配方类型消泡剂性能的明显趋势。这些被分为四个大致类别(图4)，其中“d型”消泡剂是最强和最不兼容的消泡剂，而“a型”消泡剂是最兼容的产品。
新型消泡剂开发
聚硅氧烷聚合物不易挥发，化学惰性，温度稳定，高效，它们可以控制任何介质中的几乎所有类型的泡沫。由于这些材料中Si-O键的灵活性，7所有硅氧烷骨架都具有高扩散系数和易于在界面上定向，而甲基基团既具有疏水性又具有低188金宝搏bet官网表面张力这些因素使得硅氧烷基消泡剂由于其低表面张力和在泡沫系统中的快速扩散而高效。还可以对聚硅氧烷聚合物进行化学改性，以提高消泡剂的兼容性，以尽量减少表面缺陷，并帮助将消泡剂纳入涂料配方中。这种改进使配方器能够在水系统中平衡消泡剂的消泡力和兼容性。
通过了解这些结构-性能关系研究，开发了一系列八种实验性聚硅氧烷基消泡剂(51-58)，具有可预测的消泡能力和相容性平衡，以符合基于这四种不同配方类型的设计目标。消泡剂51和52是最强的消泡剂，适合图4所示的d型剖面。同样，消泡剂53和54为c型消泡剂;消泡剂55和56为b型消泡剂;消泡剂57和58是最兼容的a型消泡剂。我们战略性地将各种极性有机基团纳入聚硅氧烷骨架中，并创建了一系列(51-58)具有高度性能可预测性的结构化硅氧烷消泡剂。该开发的目标是证明这种可预测性可用于帮助产品选择和提高配方开发的效率，避免了无法从每次失败的实验中转移数据的试错方法。
图5显示了公式者的困境。左图显示了28种行业基准消泡剂在简化水基颜料研磨(在苯乙烯丙烯酸树脂中分散15:3的酞青蓝颜料)和主色调衰减(在丙烯酸乳液中分散1:3)中广泛测试的消泡和薄膜质量结果。所有经过测试的消泡剂在产品文献中都推荐用于这种类型的应用。结果显示调整为简单的1-10尺度，其中1代表较差的薄膜质量或消泡性能，10是优秀的性能。不含消泡剂的样品(空白)显示为灰色圆圈，具有优异的薄膜质量(评级为10)，但泡沫非常大(评级为1)。商业消泡剂在性能上差异很大，几乎没有共同点或一致性。消泡剂的分布大致相同，要么太不兼容(消泡效果好，膜质量差)，要么太兼容(膜质量好，消泡效果差)。在测试的28种消泡剂中，只有两种整体性能令人满意，成功率不到10% !这将是一个重大的时间投资和挫折的配方商试图选择一个合适的消泡剂从零开始。
相比之下，消泡剂的原型系列也以相同的配方进行了测试，并标准化到相同的规模(图5中右侧的图表)。虽然不是完全线性的，但非常明显的趋势非常有利于跟踪图4中所示的b型系统的消泡剂性能预测。其中一个产品也达到了可接受的性能标准，成功率为20%。
为了达到减少实验和消泡剂性能的良好可预测性的目标，在各种不同的配方类型中测试了系列原型消泡剂，以确定它们是否始终符合图4和图5所示的预期趋势。下面的例子显示了这一系列新的结构硅氧烷消泡剂如何与理论性能变化相匹配，并提供了显著的可预测性。
前两个例子显示了消泡剂在两种不同的室内涂料配方中的性能，一种是平面(70% PVC)，另一种是半光泽(45% PVC)。在磨基制备过程中加入消泡剂，并将消泡剂的性能作为研磨密度、放水密度以及最终涂膜中泡沫的任何外观的函数进行测量。同时还对薄膜质量和表面缺陷数量进行了主观测量。消泡剂和薄膜质量结果都被标准化为1-10级，其中空白(无消泡剂)的消泡效果最差(1级)，薄膜质量最好(10级)。结果如图6所示。
平板涂料配方对消泡剂相关缺陷几乎完全不敏感，但由于相对于载体的颜料和填料的高粘度和高体积，非常难以消泡。结果与图4中概述的d型系统性能几乎完美匹配，并且正如预期的那样，不兼容程度最高的消泡剂51、52和53提供了最佳性能。相容性较好的消泡剂消泡效果较差。然而，在低粘度，少填充半光漆的结果是完全不同的，因为最强的消泡剂造成了表面缺陷;中间不相容的消泡剂(B-和c型)和原型53、54和56的消泡效果最佳，消泡效果和膜质量达到最佳平衡。
这种趋势在基于pu -丙烯酸混合树脂的透明木器涂料配方中得到延续。该体系配方中不含颜料，消泡剂通过简单的低剪切混合添加到成品配方中。用泡沫刷在红橡木镶板上涂上三层涂层。第一层是在涂第二层和第三层之前打磨的。我们期望这种配方需要更兼容的消泡剂(a型或b型)，结果完全支持这一预测，消泡剂56表现最佳。这些结果如图7所示。在基础配方(没有添加消泡剂)中没有预期的明显缺陷，但在干燥涂层中捕获的泡沫是清晰可见的。最兼容的a型消泡剂58，提高了泡沫控制，没有缺陷，但仍有改进的空间，因为泡沫仍然存在于成品膜中。这种消泡剂类型对这种配方的要求不够不兼容;然而，在右下图中，不相容的c型消泡剂54消除了泡沫，但也造成了大量的陨石坑和表面缺陷。 This defoamer is too incompatible for this formulation. The B-type defoamer, 56 (lower left), has the correct and predictable balance of incompatibility to give optimal defoaming without defects. A quick screening of any one of the three potential defoamer types would allow a formulator to quickly understand the needs of the system and identify which defoamer to try next based on these results, saving time and work.
通过连续方法(如滚涂、幕涂或甚至印刷方法)应用的工业涂料的配方也关心消泡剂在应用过程中的持久性。消泡剂经常会随着时间的推移而失去性能，特别是在高剪切条件下，消泡剂会乳化并分解成配方。一般来说，更强的消泡剂可以更好地抵抗这种影响，高剪切混合也可以帮助减少这些更不相容的材料造成的缺陷。188金宝搏bet官网
为了证明这一点，原型消泡剂在树脂颜料研磨(PR22)中进行了测试，然后放入丙烯酸油墨配方中。另外两种推荐用于油墨应用的硅胶消泡剂也进行了测试。然后使用Cowles刀片以1500 rpm的速度在一段时间内剪切墨水，并在整个测试过程中定期测试泡沫(通过密度测量)和应用质量(通过莱内塔图上的下降测量)。结果如图8所示。正如预测的那样，最强的消泡剂保持其消泡性能的时间最长。在此期间，使用较强消泡剂配制的油墨的表面外观也得到了改善。最初，消泡剂55、56和57都具有良好的外观，其中55使消泡性能和表面外观达到最佳平衡。较强的消泡剂都会造成弹坑或脱湿。经过30分钟的剪切，用消泡剂54配制的油墨的外观也可以接受，随着时间的推移，这仍然是最好的表现。
结论
已经开发了一系列改性硅氧烷消泡剂，它们提供了相对于彼此的可控消泡强度和兼容性范围。通过了解基本配方要求，如剪切、PVC水平、灵敏度和粘度，配方师可以快速从系列中选择一种产品进行测试，然后使用该测试的结果作为指导，指导选择下一种消泡剂进行测试，如果第一种产品的性能不能接受。如果第一个产品显示有缺陷，则需要更兼容的消泡剂。相反，如果第一个产品显示出消泡不足，则需要该系列中更不兼容的产品。
参考文献
- 琼森,b;Lindman b;开始,k;Kronberg, B.“表面活性剂溶液的发泡”，在水溶液中的表面活性剂和聚合物，主编。John Wiley & Sons，纽约，1998,325-336。
- 一、D.T.;Koczo k;Nikolov, A.D.，“水泡沫稳定性和消泡作用的机制，有油和无油”，在泡沫:石油工业中的基础和应用，Schramm L L, Ed.，美国化学学会，华盛顿特区，1994年，化学进展系列242,47-114。
- 罗森，M. J.表面活性剂和界面现象，第二版，约翰·威利父子，纽约，1989。
- 加勒特，P.R.“反泡沫的作用模式”，见:消泡:理论和工业应用，加勒特P R，编辑，泰勒和弗朗西斯集团有限责任公司，博卡拉顿，佛罗里达州，1992年，表面活性剂科学系列45,1 -117。
- 赫格多;读者,j .;Lai, K.T.G.涂料的最佳消泡剂选择:指南和案例研究，ABRAFATI 2011, São Paulo，巴西，2011年11月21-23日。
- 路易,c;Reinartz r;Chaigneau w;读者,j .;Lai G.用于无气喷涂水性涂料的新型除氧器，欧洲涂料大会论文集，Nürnberg，德国，2011年3月30日。
- Grigoras, S. In:聚合物的计算模型，Bicerano J, Ed.， Marcel Dekker，纽约，1993,161。
- Voronkov M.G.;Mileshkevich,副总裁;Yuzhelevskii, Y.A.硅氧烷债券，咨询局，纽约，1978。
