葡萄酒、威士忌和咖啡对配方师的好处是众所周知的——咖啡在一天开始时帮助配方师清醒，而葡萄酒或威士忌则用来庆祝或同情一天的成果。然而，酒的眼泪和咖啡污渍效应(图1)是马兰戈尼效应的著名例子，¹油漆和涂料中常见的一种重要的物理现象，经常与类似的现象有关，通常会产生不良的后果。两者都是表面张力引起液体流动的例子。

葡萄酒的眼泪是由葡萄酒表面的水和乙醇蒸发，然后在玻璃杯侧面的凝结引起的。然而，由于酒精的蒸汽压比水高，更多的水凝结在玻璃上，导致富水凝析，而葡萄酒的表面更富酒精。当凝析液顺着玻璃杯的边缘流回葡萄酒表面时，可以观察到一种不寻常的流动模式，液体葡萄酒在重力将其拉回之前向上流动了一小段距离，导致更厚的液滴(眼泪)反弹到玻璃杯边缘。这是由于富水液滴内部的吸引力(表面张力)比富醇液滴的表面更强，导致液体被拉向液滴。物理学家詹姆斯·汤姆森(James Thomson)首先解释了这一效应，然后卡洛·朱塞佩·马泰奥·马朗戈尼(Carlo Giuseppe Matteo Marangoni, 1840-1925)在意大利帕维亚大学(University of Pavia)的博士论文中对其进行了更深入的研究。此后，人们对这一效应进行了更详细的研究，并一直激励着今天的研究。

咖啡污渍效应，即在溢出的液体混合物边缘形成一个更厚、颜色更浓的环，是表面张力造成流动模式的另一个例子。^3.当液体混合物从表面蒸发时，表面张力产生流动模式，使挥发性更强的成分循环到表面，使接触线随着液体体积的减少而收缩(图2)。然而，如果液体与基质相互作用，收缩可以被限制和减缓。如果固体颗粒，比如咖啡粉，被困在水流中，它们会被推到边缘，然后沉积下来，因为没有足够的体积让它们回到小滴中。这样就创建了一个很厚的边缘，如果粒子是彩色的，就可以很清楚地看到。这种效应还在继续被广泛研究，最近，普林斯顿大学的研究人员注意到，当威士忌在干净的玻璃杯中干燥时，边缘效应不会发生。²他们还能够利用表面活性剂、可溶性聚合物和溶剂混合物的精选组合重现这种现象，并指出其在涂料中的潜在用途。

表面张力差产生的力也可以用简单的肥皂船实验来证明，在小船后部的凹槽中加入一小滴表面活性剂(或消泡剂)就可以推动小船前进。如果表面活性剂上色或使用乳液消泡剂，效果尤其明显。然而，同样的实验也可以用来说明其他因素如何影响流动。当用一艘更大的船(质量更大)重复这个实验时，由于推动更重的物体需要更大的力，运动就会大大减少。同样，如果用蜂蜜(或用纤维素增稠剂增稠的水)代替水，船几乎不会移动，因为粘性阻力阻碍了移动。由此可见，表面张力差异所引起的流动虽然会很明显，但也会受到液体其他性质的影响。

表面张力与涂层中许多已知的问题有关，如基材不湿润、陨石坑、鱼眼、橘皮和找平模式、边缘收缩和相框，以及较差的可重涂性。⁴通常使用表面活性剂和表面活性材料来控制和防止这些缺陷，减少导致流动的表面张力差异。表面张力驱动的流动也是泡沫控制的一个重要机制，因为消泡剂也含有低表面张力，不溶性液体扩散到气泡片层，导致气泡不稳定。⁵影响液体流量的配方特性也会影响表面张力驱动的流量，因此会影响不同配方中添加剂的行为。

测试方法

为了证明这些影响，我们使用水基聚氨酯丙烯酸混合树脂分散体制备了一种非常简单的涂料配方，与适当的聚结助溶剂预混剂配制，并与商业二氧化钛浆料调整不同的固体含量(表1)。在0%、15%和30%的PVC下测试涂料，以证明密度和膜固体的影响。15%的PVC样品也进行了添加或不添加增稠剂(0.4%的商业HEUR型增稠剂)的测试。每种配方都用不同的消泡剂或表面活性剂进行了测试。不加增稠剂的配方粘度约为100厘斯托，加增稠剂的配方粘度约为400厘斯托;不加表面活性剂时，该配方的表面张力为52 mN/m。

结果与消泡器

第一次测试测试了四种不同的消泡剂的效果——强硅氧烷消泡剂、中档油消泡剂、更相容的硅氧烷消泡剂和分子消泡剂。图3显示了一个简单的泡沫测试的结果，配方样品的密度是在Waring搅拌器中剪切30秒之前和之后测量的。泡沫数据报告为归一化密度(剪切密度/初始密度)，因为填充量越高，初始密度越高。正如预期的那样，所有消泡剂都能有效地减少样品中的空气量，其中硅氧烷消泡剂是最有效的。含有增稠剂的样品比不含增稠剂的样品密度更高(空气含量更低)，但这些样品在使用刷子时泡沫更大，这表明从高粘度配方中吸收和释放空气更困难。一般来说，在测试所有四种消泡剂时，高pvc配方比低pvc配方给出的密度更低(空气含量更高)。除增厚涂料外，最有效的消泡剂是相容性较好的硅氧烷。

然后将相同的配方通过拉伸和刷涂在许多不同的基材上，包括Leneta图表、木材和塑料(Sabic cycoly)，并检查干燥薄膜的表面缺陷。图4显示了结果的一个示例。没有消泡剂的配方没有缺陷，但泡沫明显存在于应用的薄膜中，而在任何含有消泡剂的涂料中只有很少或没有泡沫。三种油型消泡剂在所有衬底上的表面缺陷数量和尺寸均随PVC和粘度的增加而减少。这种趋势在塑料基板(不渗透，最低表面能)上被放大，在更容易潮湿的Leneta图表上被减少。

配方粘度、涂层密度和基体对消泡剂性能的影响已在其他研究中看到^，6这些现象已被证明与配方的能力下流动的表面张力。相容性较好的(疏水性较差的)硅氧烷消泡剂在大多数测试配方中都有良好的性能，但在给定的配方/基质组合中，它并不总是最佳的整体性能。分子消泡剂在木材清漆上的消泡效果最好，而在相同的基材上，30% PVC配方的消泡剂效果最好。

结果与表面活性剂

当不同的表面活性剂在相同的基础配方中用作润湿剂时，也可以看到类似的趋势。在配方中加入0.5% w/w剂量的表面活性剂，然后通过刷涂或吸涂的方式将涂料涂在相同的基材上，测试了一系列的表面活性剂。在所有PVC水平下，基质配方的表面张力为52 mN/m，而最有效的表面活性剂(一种硅氧烷)将其降低到48 mN/m;许多高乙氧基化表面活性剂对配方的表面张力几乎没有影响，这表明它们与粘结剂或颜料存在相互作用。所有的配方都适用于木材和Leneta图，但消泡剂的相同趋势也可以在难湿的环氧树脂基板上看到。如预期的那样，使用硅氧烷表面活性剂获得了最好的结果，因为这能够充分降低配方的表面张力，以防止表面张力驱动的流动缺陷。然而，使用效率较低的表面活性剂，随着涂层固体和密度的增加或涂层粘度的增加，缺陷再次减少，降低了配方的流动能力(图5)。

结论

表面张力驱动的流动是一种真实的力，由液体和基材表面张力的局部差异产生，可以对涂料和涂料配方剂产生许多不良影响。然而，这种流动也会受到涂层质量、薄膜重量和粘度的阻力，这些阻力会阻止或限制流动。添加剂通常用于消除表面张力驱动流动引起的问题，但一旦其他配方性质固定，它们通常被用作问题解决者。因此，添加剂的选择具有挑战性，因为添加剂会随着配方性能的变化而变化。用于高填充涂料的高效消泡剂可能会由于配方粘度的不同而导致表面缺陷，而更兼容的消泡剂在高填充涂料中失去效力。同样，更特殊的表面活性剂，如硅氧烷、乙炔二醇或含氟表面活性剂，往往需要较难湿的底物，而简单的表面活性剂可能完全适合要求较低的底物。通过了解添加剂性能如何受到配方变化的影响，配方师可以识别潜在的问题，并与供应商合作，更快地找到答案。

确认

作者要感谢Renae Bennett提供的图片和视频，Paul Marcella帮助创建数据，以及Ingrid Meier和Shauna McAuliffe提供的编辑协助。作者还想感谢唐纳德·莱尔斯和金的灵感。本文使用3 Corações咖啡、Cloudy Bay Sauvignon Blanc和Jura岛麦芽威士忌制作而成。

参考文献

¹https://en.wikipedia.org/wiki/Marangoni_effect

²金,h;布伦,f;嗯,大肠;雅可比,即;按钮,大肠;石头,H.A. phy。Rev. Lett. 116, 124501, 2016年3月。

^3.唐,y;他,w;王,美国;道,z;程,L。纳米技术第25卷第12期。

⁴快速解决镀膜缺陷的第一部分和第二部分，Jochum Beetsma, SpecialChem网络研讨会，2010年11月。

⁵《迪高，第四版(2012), pp 47-49。

⁶读者,j .;Lai G.涂料配方消泡剂性能预测，PCI杂志, 3月201350 - 59页之间。