01

什么是泡沫？

在涂料中，总是不希望有泡沫。一方面，在涂料生产中产生的泡沫使生产容器不能得到最佳的利用并会在包装生产线上造成问题；另一方面（大多数问题出现于此）在涂装中出现泡沫会使漆膜表面产生缺陷。泡沫不仅影响漆膜的外观，而且不利于漆膜保护作用的正常发挥。因而，消泡剂在几乎所有的配方中都是一个必要的成分。

事实上，所有的涂料组分都会对起泡倾向有正面或负面的影响。此外，基材特性和施工条件也影响起泡倾向。必须认识到泡沫是随不同情况而有不同表现的。例如，在某一喷涂施工中可得到优异的漆膜性能，然而将完全相同的涂料体系以幕式淋涂施工却可能会发生起泡问题。鉴于我们仅考虑涂料体系，所以在讨论中只就液体泡沫而言。这种泡沫定义为气体（一般为空气）在液相中微细的分布。泡沫的特性之一（与其它物理状态比较）是气体和液体间存在非常大的界面。包覆着空气，使气泡彼此分离的液体层叫做膜。为了达到能量最低，每个液体系统都努力将它的表面积降到最低。因为泡沫处于高能态，因此它只有在泡沫稳定因素存在下才会存在。气泡在形成后即从液体内上升至液面。按“Stokes”定律，上升的速度(v)与气泡的半径(r)和液体的粘度(η)有关。

排液效应

当一个典型的气泡到达液面，泡沫膜（也就是包围着气泡的液体薄层）内液体就开始流出。这种流动过程 (排液效应) 降低了泡沫膜的厚度。当膜壁厚度低于约10纳米时，膜失去完整性，泡沫就破裂了。当然，假如所有液体的行为完全符合上述模式，那就不会有泡沫问题了，因为稳定的泡沫无法形成。举例说，这就是纯液体的情况：因此纯的液体不会起泡沫。

要形成稳定泡沫，在液相中必须有稳泡物质存在。一般来说，它们是界面活性物质（表面活性剂），它们的特性是在同一分子中存在着亲水和憎水基团。由于这样的结构单元，这些物质就定向排列于液相/气相界面，降低了界面张力，从而形成了稳定泡沫所需的条件。每一个涂料配方（水性、无溶剂型或溶剂型）中都含有众多的，来自各方面的和各种化学结构的稳泡物质。因此每个配方原则上说都有可能起泡。观察一个典型气泡的“生命历程”，可以看到，一个气泡的结构随时间而变化。泡沫在形成初期，含有充裕的液体，故称之为“湿泡沫”或“球状泡沫”，因为气泡为球形，并且没有显著的相互变形。如前所述，液体从聚集泡沫膜中流出（排液效应），膜变得更薄，气泡聚集更紧密，从而形成多面体结构。这样的泡沫状态称之为“干”或“多面体泡沫”。

在没有反作用力存在下，排液效应最终使膜厚降低至某一程度而使泡沫破裂。一个主要的反作用力就来自稳泡物质（表面活性剂）的化学结构。在水性体系中，亲水基团是离子型的，泡沫膜的两个气液界面中布满了表面活性剂，当液体逐渐排出时，这两个界面互相贴近，最终排斥力发生作用，即相同电荷相互排斥。

另一个稳定化作用是依靠泡沫膜的弹性。当膜稍有拉伸，这种拉伸作用本身就引起拉伸区域界面上表面活性剂浓度的降低（因为同一体积的液体拉伸后具有较大的表面积，而表面活性剂的分子数不变）。然而拉伸区域表面上的表面活性剂浓度的降低，引起表面张力的升高，因而膜就缩回。这个表面张力（γ）差异可以被体系内部物质运动弥补，水和表面活性剂的混合液从膜内部和未拉伸表面向被拉伸的区域补充。这种特殊的稳泡作用被称为Gibbs-Marangoni效应。

02

消泡剂和脱泡剂的作用方式

要使涂料体系中不含有泡沫稳定物质实际上是不可能的，那么只好使用消泡剂来避免泡沫的形成和/或将已形成的泡沫尽快地消除。

消泡剂是低表面张力的液体，一般必须具有以下三个性质：

• 不溶于要消泡的介质
• 有正的渗透系数
• 有正的扩散系数
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• 当渗透系数为正时，消泡剂就可进入泡沫膜。如果扩散系数为正时，消泡剂就可在界面内铺展。通过消泡剂在泡沫膜界面的铺展作用，稳定泡沫的表面活性剂被消泡剂取代，使原本是弹性的抗干扰的气泡膜转变为较低内聚力的气泡膜。

• 聚脲颗粒具有较好的消泡效果和以下两大优点：

  1. 聚脲在载体油中由液体反应物原位合成，可获得更小的颗粒和更好的防沉降性。消泡剂自身具有较好的储存稳定性

  2. 由于比表面积较大，其对表面活性剂的吸附容量更大，从而确保最佳消泡，即使涂料长期存放。

  基于聚酰胺颗粒的技术同样有其益处，可用于食品接触领域。在某些应用中，也可获得更高的消泡效率。

  所有的消泡剂的另一个重要特性是它们对于待消泡的介质有可控不相容性。相容性太好的消泡剂不能迁移进泡沫壁，而是进入涂料体系的液态主体中。在此情况下，消泡作用微乎其微。另一方面，如果一个消泡剂太不相容，则导致漆膜缺陷如雾影或缩孔。合适的消泡剂的选择可表征为在相容性和不相容性之间寻找一个“平衡点”。如下图所示，太好的相容性反而会导致稳泡，而不是消泡作用。当然，最佳的选择是有合适的消泡作用而无缺陷（雾影或缩孔）。
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• 涂料配方中消泡剂的选择取决于添加时机、分散时长、加入方式（剪切力）和添加量。所有这些参数都会影响涂料配方中消泡剂的分布和液滴大小。从而影响其效能。如果分散不充分，导致形成的液滴过大，涂层就会出现表面缺陷。如果分散太好，消泡剂液滴过小，其在涂料配方中的倾向过于“相容”，降低效能。

  对于作为浓缩物存在的极高活性的消泡剂，消泡剂液滴需原位生成。例如，涂料配方中的消泡剂在高剪切力下均匀地分布在研磨料中。对于消泡剂乳液，乳化液滴已经均匀地分布在水中，涂料生产时，消泡剂可在低剪切力下添加，通常在调漆阶段中使用。

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  由于涂料体系的多样性，一个消泡剂不可能对于所有的配方都有最好的效果。必须有一系列的消泡剂产品以适应每一种特定体系。消泡能力的细调可以通过调节添加量来实现。消泡剂用量高一般来说会提供更好的消泡能力，但是这样可能会导致缺陷增加或使之更明显。降低消泡剂用量，漆膜缺陷可避免，但消泡能力可能会不够强。“消泡”这一术语通常指消除涂料中的气泡。但有时，将“消泡”和“脱泡”区别开来是有帮助的。首先，气泡必须到达表面，这个过程称为脱泡。随后气泡的破裂称为消泡，脱泡剂的功能是提高气泡的上升速度。这些助剂使涂料中相邻的小气泡互相聚集合并成为大气泡，然后，由于体积变大，向表面运动的速度加快。脱泡剂必须在整个涂层中都有效才能发挥这个作用。相反，消泡剂只在表面有效，它们只破坏上升至表面的气泡。