01

什么是泡沫？

在涂料中，總是不希望有泡沫。一方面，在涂料生產中產生的泡沫使生產容器不能得到最佳的利用并會在包裝生產線上造成問題；另一方面（大多數問題出現于此）在涂裝中出現泡沫會使漆膜表面產生缺陷。泡沫不僅影響漆膜的外觀，而且不利于漆膜保護作用的正常發揮。因而，消泡劑在幾乎所有的配方中都是一個必要的成分。

事實上，所有的涂料組分都會對起泡傾向有正面或負面的影響。此外，基材特性和施工條件也影響起泡傾向。必須認識到泡沫是隨不同情況而有不同表現的。例如，在某一噴涂施工中可得到優異的漆膜性能，然而將完全相同的涂料體系以幕式淋涂施工卻可能會發生起泡問題。鑒于我們僅考慮涂料體系，所以在討論中只就液體泡沫而言。這種泡沫定義為氣體（一般為空氣）在液相中微細的分布。泡沫的特性之一（與其它物理狀態比較）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。為了達到能量最低，每個液體系統都努力將它的表面積降到最低。因為泡沫處于高能態，因此它只有在泡沫穩定因素存在下才會存在。氣泡在形成后即從液體內上升至液面。按“Stokes”定律，上升的速度(v)與氣泡的半徑(r)和液體的粘度(η)有關。

排液效應

當一個典型的氣泡到達液面，泡沫膜（也就是包圍著氣泡的液體薄層）內液體就開始流出。這種流動過程 (排液效應) 降低了泡沫膜的厚度。當膜壁厚度低于約10納米時，膜失去完整性，泡沫就破裂了。當然，假如所有液體的行為完全符合上述模式，那就不會有泡沫問題了，因為穩定的泡沫無法形成。舉例說，這就是純液體的情況：因此純的液體不會起泡沫。

要形成穩定泡沫，在液相中必須有穩泡物質存在。一般來說，它們是界面活性物質（表面活性劑），它們的特性是在同一分子中存在著親水和憎水基團。由于這樣的結構單元，這些物質就定向排列于液相/氣相界面，降低了界面張力，從而形成了穩定泡沫所需的條件。每一個涂料配方（水性、無溶劑型或溶劑型）中都含有眾多的，來自各方面的和各種化學結構的穩泡物質。因此每個配方原則上說都有可能起泡。觀察一個典型氣泡的“生命歷程”，可以看到，一個氣泡的結構隨時間而變化。泡沫在形成初期，含有充裕的液體，故稱之為“濕泡沫”或“球狀泡沫”，因為氣泡為球形，并且沒有顯著的相互變形。如前所述，液體從聚集泡沫膜中流出（排液效應），膜變得更薄，氣泡聚集更緊密，從而形成多面體結構。這樣的泡沫狀態稱之為“干”或“多面體泡沫”。

在沒有反作用力存在下，排液效應最終使膜厚降低至某一程度而使泡沫破裂。一個主要的反作用力就來自穩泡物質（表面活性劑）的化學結構。在水性體系中，親水基團是離子型的，泡沫膜的兩個氣液界面中布滿了表面活性劑，當液體逐漸排出時，這兩個界面互相貼近，最終排斥力發生作用，即相同電荷相互排斥。

另一個穩定化作用是依靠泡沫膜的彈性。當膜稍有拉伸，這種拉伸作用本身就引起拉伸區域界面上表面活性劑濃度的降低（因為同一體積的液體拉伸后具有較大的表面積，而表面活性劑的分子數不變）。然而拉伸區域表面上的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。這個表面張力（γ）差異可以被體系內部物質運動彌補，水和表面活性劑的混合液從膜內部和未拉伸表面向被拉伸的區域補充。這種特殊的穩泡作用被稱為Gibbs-Marangoni效應。

02

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定物質實際上是不可能的，那么只好使用消泡劑來避免泡沫的形成和/或將已形成的泡沫盡快地消除。

消泡劑是低表面張力的液體，一般必須具有以下三個性質：

• 不溶于要消泡的介質
• 有正的滲透系數
• 有正的擴散系數
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• 當滲透系數為正時，消泡劑就可進入泡沫膜。如果擴散系數為正時，消泡劑就可在界面內鋪展。通過消泡劑在泡沫膜界面的鋪展作用，穩定泡沫的表面活性劑被消泡劑取代，使原本是彈性的抗干擾的氣泡膜轉變為較低內聚力的氣泡膜。

• 聚脲顆粒具有較好的消泡效果和以下兩大優點：

  1. 聚脲在載體油中由液體反應物原位合成，可獲得更小的顆粒和更好的防沉降性。消泡劑自身具有較好的儲存穩定性

  2. 由于比表面積較大，其對表面活性劑的吸附容量更大，從而確保最佳消泡，即使涂料長期存放。

  基于聚酰胺顆粒的技術同樣有其益處，可用于食品接觸領域。在某些應用中，也可獲得更高的消泡效率。

  所有的消泡劑的另一個重要特性是它們對于待消泡的介質有可控不相容性。相容性太好的消泡劑不能遷移進泡沫壁，而是進入涂料體系的液態主體中。在此情況下，消泡作用微乎其微。另一方面，如果一個消泡劑太不相容，則導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“平衡點”。如下圖所示，太好的相容性反而會導致穩泡，而不是消泡作用。當然，最佳的選擇是有合適的消泡作用而無缺陷（霧影或縮孔）。
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• 涂料配方中消泡劑的選擇取決于添加時機、分散時長、加入方式（剪切力）和添加量。所有這些參數都會影響涂料配方中消泡劑的分布和液滴大小。從而影響其效能。如果分散不充分，導致形成的液滴過大，涂層就會出現表面缺陷。如果分散太好，消泡劑液滴過小，其在涂料配方中的傾向過于“相容”，降低效能。

  對于作為濃縮物存在的極高活性的消泡劑，消泡劑液滴需原位生成。例如，涂料配方中的消泡劑在高剪切力下均勻地分布在研磨料中。對于消泡劑乳液，乳化液滴已經均勻地分布在水中，涂料生產時，消泡劑可在低剪切力下添加，通常在調漆階段中使用。

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  由于涂料體系的多樣性，一個消泡劑不可能對于所有的配方都有最好的效果。必須有一系列的消泡劑產品以適應每一種特定體系。消泡能力的細調可以通過調節添加量來實現。消泡劑用量高一般來說會提供更好的消泡能力，但是這樣可能會導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，但消泡能力可能會不夠強。“消泡”這一術語通常指消除涂料中的氣泡。但有時，將“消泡”和“脫泡”區別開來是有幫助的。首先，氣泡必須到達表面，這個過程稱為脫泡。隨后氣泡的破裂稱為消泡，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，向表面運動的速度加快。脫泡劑必須在整個涂層中都有效才能發揮這個作用。相反，消泡劑只在表面有效，它們只破壞上升至表面的氣泡。