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，步骤如下:尝试你目前使用的消泡剂;如果这些方法都不起作用，那就去实验室试用样品，问问同事或朋友，或者问问供应商。当处理相似的配方时，这种方法很有意义，因为消泡剂在相似的配方中通常会有一致的性能。然而，当这些经过试验和信任的消泡剂不起作用时，化学家就不得不费力地寻找合适的产品。在英国有一个不言自明的说法，“如果其他方法都失败了，那就阅读使用说明。”然而，消泡剂通常不会附带使用说明。如果他们知道就好了?
找到合适的消泡剂存在困难，因为每种消泡剂的性能受其使用配方的影响;改变配方，消泡剂的性能也会发生变化。消泡剂的选择也是准备一个配方用于最终使用的最后步骤之一，所以配方的其余部分已经基本确定，消泡剂必须在这个配方内工作。本文简要介绍了消泡剂的化学成分和配方，以及涂料中其他配方成分对消泡剂性能的影响。它还介绍了一系列新的消泡剂，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更大的成功机会的测试消泡剂。
泡沫理论
泡沫是气泡(通常是空气)在液体表面的分散，可以通过多种方式产生，但最常见的是大力混合。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。小气泡结合成大气泡上升到表面，由于气泡内部更大的气体压力，气泡膨胀。这使得每个气泡壁或气泡片变薄，最终，随着气泡片中的液体在重力作用下流失，气泡会破裂。
然而，水基涂料配方不是纯液体;它们是许多不同材料的分散体，悬浮在水中，由表面活性剂稳定。这些表面活性剂也可以稳定泡沫，因此气泡可以聚集在液体表面形成泡沫(图1)。1-3一旦出现泡沫，它会导致许多问题，包括降低生产效率和更高的能源需求，由于泡沫材料的密度较低，不正确的原料加药，以及生产容器和产品包装的不完全填充。泡沫还通过减少涂层的应用量影响涂层的应用;困在干膜表面或内部的气泡会破坏表面外观和涂层的保护质量。
消泡剂是去除涂层中多余泡沫的最广泛使用的方法。化学消泡剂通过破坏和打破表面活性剂稳定的泡壁来释放困住的空气。大多数消泡剂是不同材料的复杂混合物，包括:
- 一种携带液，它可以跨越并桥接气泡壁，形成一种容易破裂的不稳定膜(图2a);所述载体还有利于疏水颗粒进入泡壁;
- 桥接片层并通过脱湿导致破裂的疏水颗粒(图2b);
- 非泡沫表面活性剂可以取代稳定泡沫的表面活性剂(图2c);
- 其他成分添加，以提高消泡剂的稳定性，掺入和兼容性。
Garrett,4对这些机理进行了详细的总结，很可能这些机理在对配方涂料进行消泡时起作用。因此，消泡剂中的所有成分可能对其性能至关重要。
当然，涂料配方师不只是关心消泡剂去除气泡和泡沫的有效性;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携带液体也会导致漆膜干燥，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，并造成粘附问题。这是有效消泡和避免膜缺陷之间的平衡，可以使找到理想的消泡剂配方如此具有挑战性和令人沮丧。
消泡剂性能的影响因素
图3显示了五种商业消泡剂(以不同颜色表示)在四种非常不同的涂料配方中的性能变化:来自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;一种聚氨酯(PU)-丙烯酸混合清漆，用于拼花地板漆配方;以及DSM塑料配方用聚氨酯分散体(PUD)透明涂层。用不同的方法测量每种配方和应用的消泡性能和应用质量，然后调整到1-10尺度，其中10表示完美的性能(没有泡沫和/或完美的膜质量)，1表示较差的性能。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来更有效地指导消泡剂的选择高粘度和高填充(高填料粘结比)配方更难消泡，但通常对缺陷不太敏感。同样，在厚膜中应用的快干配方和涂料也更难消泡，往往不容易出现表面缺陷，而低粘度配方通常对表面缺陷更敏感，但更容易消泡。弹坑、鱼眼和其他缺陷在高光配方和透明涂层中也更明显，通常需要更仔细地选择消泡剂。刷子和滚轮通常会在涂覆时产生更多的表面泡沫，而喷雾技术通常会在薄膜表面(微泡沫)下留下气泡基质也很重要;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，会释放空气到涂层膜中。像塑料这样光滑、低能的表面更不易湿润，更容易产生表面缺陷。
然而，即使有了这样的理解，在现有的许多消泡剂样品中，要找到一种具有可接受性能的产品仍然具有挑战性。最近，我们在不同的配方中测试了许多不同的消泡剂，并观察到不同配方类型消泡剂性能的不同趋势。这些消泡剂大致分为四类(图4)，其中“d型”消泡剂是最强且最不相容的消泡剂，而“a型”消泡剂是最相容的产品。
新去沫剂开发
聚硅氧烷聚合物不挥发，化学惰性，温度稳定，高效，它们可以控制任何介质中几乎所有类型的泡沫。由于这些材料中Si-O键的灵活性，7所有的硅氧烷骨架在界面上具有高的扩散系数和易定向性，而甲基则具有疏水性和较低的表面张力这些因素使基于硅氧烷的消泡剂高效，因为它们的低表面张力和快速扩散在泡沫系统上。还可以对聚硅氧烷聚合物进行化学改性，以改善消泡剂的相容性，以尽量减少表面缺陷，并帮助将消泡剂纳入涂料配方中。这种修改使配方剂能够平衡消泡剂在水系统中的消泡能力和兼容性。
通过理解这些结构-性能关系研究，我们开发了一系列八种聚硅氧烷基消泡剂(51-58)，它们具有可预测的消泡能力和兼容性平衡，以满足基于这四种不同配方类型的设计目标。消泡剂51和52是符合图4所示d型剖面的最强消泡剂。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加入到聚硅氧烷骨架中，并创造了一系列(51-58)性能可预测性高的结构化硅氧烷消泡剂。这项开发的目标是证明这种可预测性可以用于帮助产品选择，并通过避免无法从每次失败的实验中转移数据的试错方法来提高配方开发的效率。
图5显示了制定者的困境。左边的图表显示了对28种工业基准消泡剂在简化的水性颜料研磨(将酞菁蓝15:3颜料分散在苯乙烯丙烯酸树脂中)和主色调下放(1:3分散在丙烯酸乳液中)中广泛测试的消泡和薄膜质量结果。所有测试的消泡剂都被推荐用于这种类型的应用。结果被调整到简单的1-10等级，其中1表示薄膜质量或消泡性能较差，10表示性能优良。不含消泡剂的样品(空白)用灰色圆圈表示，薄膜质量很好(10级)，但泡沫非常大(1级)。商业消泡剂的性能差异很大，几乎没有共同性或一致性。消泡剂的分布大致相同，要么太不相容(消泡效果好，薄膜质量差)，要么太相容(薄膜质量好，薄膜质量差)。测试的28种消泡剂中只有两种整体性能令人满意，成功率低于10% !这将是一个重要的时间投资和挫折的配方师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在相同的配方中进行了测试，并按照相同的比例进行了标准化(图5中的右侧图表)。虽然不是完全线性的，但有一个非常明显的趋势，它非常有利于跟踪图4所示的b型系统的消泡剂性能预测。其中产品还达到了可接受的性能标准，成功率为20%。
为了达到减少实验次数和消泡剂性能良好可预测性的目标，我们对一系列原型消泡剂进行了各种不同配方类型的测试，以确定它们是否与图4和图5所示的预期趋势一致。下面的例子展示了这一系列新的结构硅氧烷消泡剂如何匹配理论性能变化，并提供了一个显著的可预测性水平。
前两个例子展示了消泡剂在两种不同内饰涂料配方中的性能，一种是平板(70% PVC)，另一种是半透明(45% PVC)。在研磨基底的制备过程中加入消泡剂，并将其性能作为研磨密度、松弛密度以及最终应用薄膜中泡沫外观的函数来测量。同时还对薄膜质量和表面缺陷数量进行了主观测量。消泡和成膜质量结果均标准化至1-10级，其中空白(无消泡剂)的消泡效果最差(1级)，成膜质量最好(10级)。结果如图6所示。
平面涂料配方对消泡剂相关缺陷几乎完全不敏感，但由于颜料和填料相对于载体的高粘度和高体积，消泡非常困难。结果与图4所示的d型系统性能几乎完全匹配，如预期的那样，不相容程度最高的消泡剂51、52和53的性能最好。相容度高的消泡剂消泡效果不佳。然而，在粘度较低、填充较少的半光漆中，由于最强的消泡剂会产生表面缺陷，其结果就大不相同;以中间不相容型(B型和c型)和53型、54型和56型样品为最佳消泡剂，使消泡效果和膜质量达到最佳平衡。
这一趋势在以pu -丙烯酸混合树脂为基础的透明木材涂料配方中得到了延续。该体系配制时不使用颜料，用简单的低剪切混合方法将消泡剂添加到成品配方中。用泡沫刷在打磨过的红橡木板上涂了三层。第一层在涂第二和第三层之前先打磨。我们预计该配方需要更兼容的消泡剂(a型或b型)，结果准确地支持了这一预测，消泡剂56的性能最佳。这些结果如图7所示。如预期，基本配方没有明显缺陷(未添加消泡剂)，但被困在干燥涂料中的泡沫清晰可见。最兼容的a型消泡剂58，改善了泡沫控制，没有缺陷，但仍然有改进的空间，因为泡沫仍然存在于成品膜中。这种消泡剂类型不兼容，不足以满足本配方的要求;然而，在右下图中，更不相容的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.
连续方法如辊涂、幕涂甚至印刷方法应用的工业涂料的配方人员也关心消泡剂在应用过程中的持久性。消泡剂的性能往往会随着时间的推移而下降，特别是在高剪切条件下，消泡剂会被乳化并分解成配方。一般来说，强度更强的消泡剂能更好地抵抗这种效应，高剪切混合也有助于减少这些不相容材料造成的缺陷。
为了证明这一点，原型消泡剂在树脂颜料研磨剂(PR22)中进行了测试，然后放入丙烯酸油墨配方中。另外两种用于油墨应用的硅树脂消泡剂也进行了测试。然后使用考尔斯刀片在1500转/分的速度下剪切墨水，并在一段时间内定期测试泡沫(通过密度测量)和应用质量(通过在Leneta图表上的下降测量)。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。用强力消泡剂配制的油墨的表面外观也在此期间得到改善。最初，消泡剂55、56和57的外观都很好，其中55的消泡性能和表面外观达到了最好的平衡。较强的消泡剂都能造成火山口或脱水。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，这仍然是最好的性能。
结论
一系列改性硅氧烷消泡剂已经被开发出来，提供了可控范围的消泡强度和相互之间的兼容性。通过了解剪切、PVC水平、灵敏度和粘度等基本配方要求，配方师可以快速从系列产品中选择一种产品先进行测试，如果第一种产品的性能不合格，则可以根据测试结果指导下一个测试消泡剂的选择。如果第一个产品显示缺陷的证据，那么就需要一个更兼容的消泡剂。相反，如果第一个产品显示不适当的消泡，那么在系列的产品是更不兼容是需要的。
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，Eds。约翰·威利父子公司，纽约，1998,325-336。
- 一、D.T.;Koczo k;Nikolov, ad .“含油和不含油的水相泡沫稳定和消泡作用的机理”，《泡沫:石油工业的基础和应用》，Schramm L L主编，美国化学学会，华盛顿特区，1994，化学进展系列242,47-114。
- Rosen, M. J.表面活性剂和界面现象，第二版，John Wiley & Sons，纽约，1989。
- Garrett, P.R.“消泡剂的作用模式”，在《消泡:理论和工业应用》中，Garrett P R，主编，Taylor & Francis Group, LLC, Boca Raton, FL, 1992，表面活性剂科学系列45,1 -117。
- Hegedus, c . r .;读者,j .;Lai k.t.g，涂料消泡剂的最佳选择:指南和案例研究，ABRAFATI学报，São Paulo，巴西，2011年11月21-23日。
- 路易,c;Reinartz r;Chaigneau w;读者,j .;Lai G.用于无气喷涂水基涂料的新型除氧器，欧洲涂料大会会议记录，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;硅氧烷邦德，顾问局，纽约，1978年。
