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在建筑涂料生产中,由于配方中有乳化剂、分散剂和增稠剂等助剂的存在,不仅会产生大量的气泡,而且还能稳定气泡,致使建筑涂料中出现大量气泡。在成膜过程中,若气泡不能消失,则会造成涂膜缩孔、针眼等弊病。因此,添加消泡剂来消除这些气泡,才能取得满意的效果。
1.气泡产生的原因与防止
气泡就是气体分散在液体中的分散系统[1]。在建筑涂料中,由于含有表面活性剂,既能产生大量气泡,又能稳定气泡。这些气泡向空气界面上升,但它仍被一层有表面活性剂的表面膜所包围,形成一层双分子层,即气泡夹层。在生产建筑涂料时产生气泡的主要原因:①涂料中的颜填料有较大的比表面积,生产涂料时加入的颜填料能吸附空气进入涂料中产生气泡;②涂料在生产与应用中由于添加了各类表面活性物质,如乳化剂、分散剂、润湿剂、增稠剂等,故在生产及施工时容易产生气泡;③由于搅拌、分散、研磨、施工等,通过空气介入体系而容易形成气泡;④由于某些副反应产生CO2,从而产生气泡。根据Stoke原理：
式中:V为气泡上升的速度;r为气泡的半径;η为涂料体系粘度。在η恒定的情况下,气泡上升速度V与气泡半径r的平方成正比。先是微小气泡相互接近,再聚结成稍大的气泡,然后上升到表面,大气泡比小气泡上升的更快。在干燥过程中粘度增大,气泡上升速度变慢,所以调低涂料的粘度,可显著减少气泡的产生。因此,在生产涂料时要选择一些含泡量低的原材料,尽量消除稳定气泡的组分;调整生产工艺,减少副反应的发生,控制涂料施工的温度、湿度、通风条件均可减少气泡。按比例加消泡剂也可以有效消除气泡。
2.消泡机理
对建筑涂料来说,消泡剂必须与稳定的表面活性剂层结合并渗入到泡膜双分子膜中,接触气泡后迅速铺展,形成很薄的双膜层。随着消泡剂的进一步散布侵入,取代原泡沫的膜壁。由于低表面张力的液体总是要流向高表面张力的液体,消泡剂的表面张力低于气泡液的表面张力,所以消泡剂分子附着在泡膜的表面上使泡膜表面的局部表面张力降低,而膜面的其余部分仍保持着较大的表面张力,这种在泡膜上的表面引力差异使较强张力牵引着这个张力较弱的部分,使整个气泡就会产生应力不平衡,从而导致气泡破裂[2~5]。消泡剂的消泡机理见图1。
消泡剂的重要作用是尽快消除气泡,消泡剂与稳定的表面活性层结合并渗入到泡膜双分子膜中,其渗入能力可用渗入系数E表示。消泡剂渗入后又能快速散布开,其散布能力可用散布系数S表示,按照ROSS提出的公式:
渗入系数E=γF+γDF-γD(1)
散布系数S=γF+γDF-γD(2)
式中:γF———泡沫介质的表面张力;γD———消泡剂的表面张力;γDF———泡沫介质和消泡剂之间的界面张力。
当E>0时,消泡剂渗入泡膜中;E<0时,不能渗入。当s>0时,消泡剂向膜面扩展;S<0时,不能扩展。因此,当e>0,S>0时,消泡剂才能产生消泡作用。
3.消泡剂的选择及其在建筑涂料中的应用
消泡剂针对性很强,往往在一种气泡体系中能消泡而在另一体系中却效果差或无效,甚至助泡。水性建筑涂料消泡剂的选用是一个比较复杂的问题,助剂在涂料体系中种类较多,它们之间如何与消泡剂搭配产生一个好的整体效果,需要试验才能确定。如何选择消泡剂,从理论上讲,主要考虑表面张力和混溶性,在选择时应考虑各种因素的影响:①由于涂料的品种不同,主要成膜物、助剂不同,选用的消泡剂不同,消泡效果不同,需要进行认真分析。②对若干消泡剂品种进行筛选试验,选出最佳消泡剂。试验材料见表1。几种建筑涂料用的消泡剂筛选试验及用量见表2。
由表2可以看出,选用TPS-03消泡剂,适用于BC-01苯丙涂料,消泡效果最佳。通过重点试验得出最佳用量为0.28%。
从表3可知,环保型内墙涂料选用SPA202消泡剂最佳。通过对SPA202重点试验得出用量在0.99%消泡效果最好。
从表4可知,TL-1型建筑内墙涂料选用TSP-01消泡剂消泡效果最佳。通过重点试验得出最佳用量为0.3%。通过试验筛选出3种建筑涂料专用的消泡剂及用量,由于3种涂料的品种不同,选用消泡剂不同,用量也不同。
4.使用消泡剂时应注意的问题
1)在使用前必须充分搅拌,一般不需要用水稀释,可直接加入,若需稀释时可随配随用。
2)在涂料搅拌情况下加入,这样消泡剂才能进入体系中。
3)为了达到好的消泡效果,最好分二次添加,第一次在配制涂料时加入总量的一半,经研磨后再加入另一半。
4)消泡剂的用量要适当,加入过量,带来副作用,使涂料膜出现缩孔等问题。加入量少,达不到消泡效果。
5)加入消泡剂后至少需24h后,才能测试涂料的性能,因消泡剂有持久性,否则会出现缩孔等产品质量问题。
5.结束语
使用消泡剂是用来避免气泡的形成或将已形成的气泡尽快消除,确保产品质量。消泡剂的选择及添加量对涂料的性能产生很大的影响,如果选择不好,不但达不到消泡目的,反而影响涂料质量。在确定配方的试验中,根据具体情况进行认真试验筛选,选出最佳消泡剂及用量,以满足产品质量要求。
参考文献:
[1]石国乐,张风英.给水排水物理化学[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.
[2]小谷茂稔.化学工业[M].北京:化学工业出版社,1977.
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[4]丁赖亚.泡沫浮选表面化学[M].何伯泉,陈祥涌译.北京:冶金工业出版社,1987.
[5]洪啸吟,冯汉保.涂料化学[M].北京:科学出版社,2000.
