泡沫形成和破泡原理

1.简介

在水性涂料系统中，疏水物质如乳液分子，颜料和填充料的导入和稳定于水性体系是通过表面活性物质来实现的。而乳化剂则保障乳液树脂分子在水相中的稳定性，颜填料可通过在润湿剂和分散剂的作用下混合于水相介质中。在水性体系中所有的表面活性物质都会起泡与稳泡。

表面活性分子稳泡的作用则是体系起泡的主要因素。其他一些起泡因素如配方组分，生产及施工方法和基材的种类等都促成泡沫的形成，增加或降低消泡剂的效率。

不含表面活性剂纯净的液体（如水）中，气泡升至表面然后爆裂。空气与液体之间的界面张力太高导致气泡不能稳定存在。然而，如体系中含有表面活性物质，气泡就如同表面活性剂的疏水端可稳定存在（图1）。这些表面活性剂分子有亲水疏水端基的特性，在气泡周围能形成一层，其中疏水一端朝向气泡，亲水一端朝向水。因此降低的气泡和液体之间的的界面张力稳定了气泡的存在。当气泡升至液体表面时，因空气和液体界面间也存在着表面活性分子，因而就形成了包括气泡上的表面活性剂层和液体表面活性剂的稳定双层。这此稳定双层分别由空气-液体界面上的表面活性剂单层与液体-空气界面上的表面活性剂单层组成。

in pure water:in surfactant containing systems:

在纯净的水中在含有表面活性剂的系统中

图1：含表面活性剂水中的稳定性气泡

根据泡沫形成机理，气泡单体会形成一紧密的的球形圈。根据气泡之间排水作用的渗水过程，气泡界面间的水会移位（图2）而集中在气泡间的空隙间。由于这一排水作用，气泡间的窄狭间距促使了八面体泡沫球体形成（图3）。这就是所称的由紧密六边形泡沫组成的泡沫聚合体。

球形泡沫疏水效应

图2：疏水效应导致的气泡变形变。

另两种作用也会使泡沫稳定。Marangoni 效应是表明一最佳的能效状态。例如在液体表面或气泡因缺少表面活性剂分子使得这一部分的表面张力和其他部分不同。系统促使表面活性剂游移来均衡不同的表面张力（自我修复作用）

图3

第二个效应是两个不同表面活性分子单层上等离子的静电排斥作用。由于疏水效应而使两个层面间隔不断变窄，最后层面破裂导致破泡。而静电排斥力会阻止这种层面之间的不断变窄，调控表面活性剂分子单层间处于一个平衡的距离。（图4）

实际上，在油漆及涂料的生产和使用中，前面描述的极其稳定的泡沫聚合体现象是很少见的。气泡会导致生产和施工问题及中涂层的表面缺损。

图4:层间距变窄和静电排斥力

通过对起泡与消泡机理的研究，现代消泡技术提供了克服泡沫问题有效方案。因大量的可用性涂料原材料及涂料配方不同组成(如树脂，乳化剂，湿润剂，分散剂，溶剂，增稠剂)至今还不能精确地预测哪类消泡剂为所需体系的最佳消泡剂。另外，体系组成对消泡剂的影响更增加了消泡剂的难预测性。大量的实验室工作及消泡剂的应用经验可有效帮助找到体系合适的的消泡剂

2.基础：泡沫的形成

2.1生产中泡沫的形成

在搅拌和分散过程中，空气被引入涂料系统。研磨分散过程的高速搅拌使大量的空气被引入并在表面活性剂的作用下稳定地存在于体系中。在研磨阶段同时，颜填料表面被水和湿润剂润湿，空气得以释放。在此生产阶段，使用一种高效的消泡剂是非常重要的，此消泡剂能将小的单个的气泡变成大气泡，并将其排出体系。

生产中所需什么样的消泡剂是根据涂料系统的特性和生产工艺来决定的。研磨过程中的高剪切力和快速搅拌引入了大量的空气，所以要选用高效率，耐剪切力且难乳化的消泡剂。因不含或含少量的乳化剂此类消泡剂相对而言较难乳化于体系间介中。因而其有效成份的粒径在剪切力下能保持相对稳定，不同的是，易乳化的消泡剂有效成份的粒径则在剪切下很容易小。

而低黏度或低颜料含量系统则不能选用难乳化的消泡剂。此类消泡剂会导致涂层的表面问题体系的分层。在此，通常选用易乳化的消泡剂。上述则是一很粗略的分类，消泡剂往往要根据特定系统具体确定。

从经济角度说，高效的消泡剂也很重要。在生产时泡沫的产生就会增加生产时间。研磨过程中大量的空气就会降低剪切力传递的效率。空气就像气囊一样阻隔在搅拌器和颜料之间。此时要达到相同研磨质量的生产时间要比没有气泡时长的多。而且所需的包装量也因含的空气而无重现性。在后期上漆阶段，随着对温度和剪切力敏感的乳液树脂的加入，搅拌速率会下降。此时加入的消泡剂是除去系统中的空气防止气泡被稳定。乳液树脂所含的乳化剂会使泡沫稳定。

2.2泵送与包装时泡沫的形成

在泵送、包装、与运输过程中，因为空气/液体介质表面的活动，空气也会被导入系统中。在印刷、淋涂，浸涂等施工方法中，涂料也会被泵送与输送。不仅是生产过程中形成的泡沫，而且在后期泵送与包装时产生的气泡都需被排除。因而已经在生产过程中发挥作用的消泡剂也要能有效地除去泡沫或防止泡沫形成。

为达到质量管理的要求，每罐涂料的密度要保持衡量。视觉上的要求同样重要因为消费者是不喜欢看到涂料表面含有泡沫。所以说，在储藏时消泡剂仍发挥作用。

2.3施工时泡沫的形成

施工工艺和基材类型对施工时泡沫的形成趋势有有重要的影响。像墙壁、壁纸、未进行表处理的木料等这类多孔渗水基材上较容易形成泡沫。如刷子、滚筒、喷漆枪之类的施工工具显示出和底层同样重要的影响。它们可能促进或阻止泡沫的形成。

在采用喷涂工艺时, 离开喷嘴的涂料已被空气充分饱和, 因而需选用高效性的消泡剂. 此类消泡剂必须可有效排除在基材上形成的微泡。

3. 消泡剂的特性

3.1消泡剂的组成

一般而言，消泡剂含有若干组成部分，其与涂料介质不相容。当消泡剂与涂料系统过于相容时，消泡剂的效率会降低。而另一方面，当消泡剂和系统太不相容时，消泡效果可能会非常高，但同时会引起涂层的问题。因而对不同体系而言，最佳的消泡剂应是其相容与不相容性达到最好的平衡性，且发挥最高的消泡能效。

消泡剂是含不同功能性物质的多成分系统。这些成分主要可分为三类：载体，约占75%-90%、疏水成分，约占5%-10%、其他特殊物质（如生物杀灭剂，增稠剂、乳化剂），约占0-20%。

载体通常是不同种类的油：最常用最经济的是矿物油。除此以外，还有石蜡油为满足美国食品药物管理局的健康规定及食品和饮用水的应用。此外还有植物油（可生物降解，用于低或无VOC 涂料），硅油和水都能用作为载体。脂肪酸，含脂肪醇类，聚乙烯醚也能做载体。

载体的作用是在表面铺展以取代表面活性剂层。所以它的表面张力要比水小。另一重要作用就是运送消泡剂内的疏水物质进入到双层内。载体一定是与溶剂（水）不相容以使自身能升至表面。

图5：消泡剂疏水粒子破坏气泡双层

疏水活性物质可以是液体或固体的状态。在液态时，它们以乳状液滴的形式存在。粒子通常是大小在0.1到20µm的疏水材料。.粒径是决定疏水粒子能否进入气泡双层一个很重要的因素。如果粒子太小，粒子的功效会大大降低因为水能进入双重薄层稀释消泡剂粒子的浓度。粒子太大，粒子就无法进入双重薄层，不能促使微泡变成大泡。（见图7）

疏水活性物质的最重要任务是吸附气泡双层上的表面活性剂分子，气泡因表面张力的升高而破裂。

为保持整个乳液介质的稳定，不出现絮凝现象，需加入相当量的表面活性剂，而消泡剂中疏水粒子的浓度也需控制在一定的范围内。

作为疏水粒子常使用的蜡、疏水二氧化硅、金属盐、聚丙二醇类、有机硅氧烷衍生物

乳化剂起着重要作用。它调节消泡剂在涂料系统中的兼容性。通过乳化剂，消泡剂在体系内被分散到一定的粒径程度而进行消泡。因而，乳化剂是调节消泡剂在一涂料体系中兼容性（低