有許多文獻(xiàn)討論抗泡劑、消泡劑和脫泡劑之間的區(qū)別。可接受的定義是：抗泡劑是一種能防止或延緩泡沫形成的物質(zhì);消泡劑是在泡沫形成后作用于泡沫，能減少或者消除泡沫;脫泡劑有助于小氣泡聚成大氣泡，加快單個(gè)氣泡的上升度。實(shí)際上，用于減少和消除泡沫制備的添加劑以多種方式發(fā)揮作用，很難將其進(jìn)行分類(lèi)，所以在本文中，用術(shù)語(yǔ)消泡劑來(lái)描述所討論的添加劑。
泡沫產(chǎn)生的原因
純液體不會(huì)穩(wěn)泡。當(dāng)你搖動(dòng)水時(shí)很容易看到這一現(xiàn)象。氣泡生成后會(huì)迅速上升到水面然后破裂。水沒(méi)有夾帶空氣的傾向;氣泡會(huì)迅速上升并離開(kāi)液體。相反，涂料不是純的液體。那么，涂料會(huì)夾帶空氣、在液體涂料或干膜中夾帶氣泡的原因是什么呢?
水性涂料不是純的液體;它們是在載體(水)中的粒子(顏料、樹(shù)脂)分散膠體。在涂料中氣泡穩(wěn)定的其中一個(gè)關(guān)鍵因素是表面活性劑，因?yàn)檎潜砻婊钚詣┎拍軐⑺胁煌某煞直３衷谝黄穑皇窍喾蛛x或沉淀。表面活性劑是用來(lái)防止乳液出現(xiàn)相分離的一種組分，它能潤(rùn)濕顏料表面來(lái)改善分散性和防止沉降，并提高水性涂料配方中各種成分的整體兼容性。這些表面活性劑的負(fù)面影響是，它們也能非常有效地穩(wěn)定涂料混合物中的空氣，使空氣很難聚結(jié)在一起、上升到表面而逃逸。這是由表面活性劑的特定性質(zhì)決定的。表面活性劑是既具有疏水性又具有親水性的物質(zhì)。正是由于這一點(diǎn)，它們能有效地發(fā)揮作用，這也是為什么它們?cè)谟行Х€(wěn)定泡沫的原因。表面活性劑的疏水部分圍繞氣泡周?chē)蛊淠芊€(wěn)定在涂料中，從而防止氣泡凝聚并上升到表面而逸出。
消泡劑組成
消泡劑配方有三大組成成分：
1.載體;
2.乳化劑和濕潤(rùn)劑;
3.第三種組分或活性成分。
載體可以作為其自身的消泡劑。在消泡劑配方中，其主要功能是把疏水成分帶到層狀界面，在那里發(fā)揮作用。載體的例子是礦物油和硅油。乳化劑或者潤(rùn)濕劑用于將消泡劑分散在需要消泡的液體中。它們能控制分散消泡劑的難度，對(duì)消泡劑的效力、持久性和相容性也有影響。加入第三種組分是為了提高消泡劑的性能，改善消泡劑穩(wěn)定性或相容性。憎水顆粒、脂肪酸、偶聯(lián)劑和享有專(zhuān)利權(quán)的組分，如消泡分子，就屬于這一類(lèi)。
消泡劑如何工作
正是由于消泡劑的作用，克服了表面活性劑的穩(wěn)定作用，能從體系中除去氣泡。要做到這一點(diǎn)，消泡劑要配制成與氣泡壁和液體表面或鄰近氣泡壁之間界面處的表面活性劑層不兼容。這個(gè)區(qū)域通常被稱(chēng)為膜層。消泡劑需要是低表面張力的液體，具有受控的不溶性或不相容性，有正的進(jìn)入系數(shù)，能進(jìn)入膜層中，以及正的鋪展系數(shù)能在整個(gè)膜層中散布開(kāi)。消泡劑也需要被分散成配方中的疏水液滴。一旦消泡劑微滴進(jìn)入并分布在整個(gè)膜層區(qū)域，它就會(huì)破壞表面活性劑的穩(wěn)定作用，使水從膜層中流出，從而導(dǎo)致氣泡壁變薄和氣泡的最終破裂。因此，除消泡劑的表面張力，高效的消泡劑的重要性能特征是消泡劑能夠被分散在待消泡的液體中并形成有效的液滴粒徑。
具有消泡活性的有五種：
1.疏水性固體;
2.在原位形成疏水性固體;
3.表面活性劑的競(jìng)爭(zhēng)者;
4.低表面張力的液體;
5.對(duì)抗性的表面活性劑/聚合物。
分子消泡劑屬于最后一類(lèi)，即對(duì)抗性表面活性劑/聚合物。這種技術(shù)的有效性是通過(guò)消泡分子與涂料中的其它表面活性劑相互作用來(lái)形成剛硬的膜，而不是在膜層壁處的彈性膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這是通過(guò)表面活性劑鏈之間發(fā)生的相互排斥力的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，圍繞在氣泡周?chē)哪訁^(qū)域不會(huì)伸展，膜層區(qū)更容易被突然打開(kāi)而釋放出空氣。因此，尋找有效和高效的消泡劑的困難是平衡涂料體系中需要的不兼容性，消泡劑能克服表面活性劑的穩(wěn)定作用，不會(huì)對(duì)涂層體系造成任何缺陷，如縮孔、起皺，著色劑的分離等。
低VOC涂料消泡劑的需求
隨著與VOC排放有關(guān)的法規(guī)的出臺(tái)以及消費(fèi)者對(duì)更環(huán)保的產(chǎn)品的需求，在過(guò)去的十年中涂料發(fā)生了巨大變化，今天，建筑涂料配方的VOC含量接近零。使用的乳液是較軟的聚合物它們不需要成膜助劑，就能形成涂膜，通過(guò)施工后交聯(lián)獲得硬度。不再需要使用溶劑來(lái)延長(zhǎng)開(kāi)放時(shí)間和保持施工過(guò)程中的濕邊。所有涂料組分預(yù)計(jì)都是零VOC或接近零VOC的，配方中只有水是唯一的揮發(fā)性液體成分。表面活性劑的使用在穩(wěn)定這些配方時(shí)變得更重要，并且使用環(huán)境友好型表面活性劑已經(jīng)改變了泡沫生成和穩(wěn)定的情況。在建筑涂料中，現(xiàn)在期望使用單涂層涂覆物，為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)使用的方法之一是配制比過(guò)去更高黏度的涂料，在低剪切和高剪切范圍內(nèi)都是。這些因素對(duì)現(xiàn)代涂料的消泡需求都有影響。溶劑可以不再存在，來(lái)充當(dāng)配方中臨時(shí)的消泡劑，特別是在生產(chǎn)過(guò)程中。更高黏度意味著氣泡從液體中上升的速率變得更慢且更困難。增加表面活性劑的使用量意味著在整個(gè)涂料中的泡沫更穩(wěn)定。消泡劑現(xiàn)在必須被配制成能抵消所有這些作用。
分子消泡劑
使用分子消泡劑作為對(duì)抗性表面活性劑或聚合物是目前需要的一種消泡劑解決方案。與典型的消泡活性物相比，分子消泡劑能夠在更小范圍內(nèi)發(fā)生作用，通常是自然界中存在的顆粒。這種小的分子消泡劑能顯著提高其在消泡過(guò)程中的效率。使用的分子消泡劑與多個(gè)類(lèi)別的消泡劑技術(shù)結(jié)合——礦物油類(lèi)、聚硅氧烷類(lèi)的和水性乳液形式。這些現(xiàn)代消泡劑的有效性超過(guò)那些不含分子消泡劑的。以下數(shù)據(jù)是使用不含硅的烴類(lèi)分子消泡超支化聚合物作為活性分子組分。
在礦物油技術(shù)中添加分子消泡劑改進(jìn)了低VOC乳膠漆配方的破泡時(shí)間。在VOC為50克/升的平光丙烯酸乳膠漆配方的結(jié)果能顯示這種效果。將其消泡效果與市售礦物油產(chǎn)品進(jìn)行比較，含有分子活性物的消泡劑優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的礦物油消泡劑。最好的礦物油消泡劑的破泡時(shí)間為68秒，而含兩種分子活性物的消泡劑的破泡時(shí)間分別為56秒和31秒(圖4)。檢查施工的干膜，分子消泡劑在消除涂層中夾帶的微泡方面效果更好。在第二種配方中，VOC接近零的平光丙烯酸乳膠漆，結(jié)果也類(lèi)似。在該體系中最好的市售礦物油消泡劑的破泡時(shí)間在44秒，而含有分子活性物的消泡劑的破泡時(shí)間在25秒內(nèi)。同樣干膜中夾帶的微泡也比較少。
評(píng)價(jià)有機(jī)硅結(jié)構(gòu)的消泡劑，當(dāng)分子組分作為消泡劑配方的一部分時(shí)，我們也看到了性能的改進(jìn)。在VOC為50克/升的丙烯酸半光乳膠漆配方中，含有分子活性物的兩種消泡劑的性能優(yōu)于三種市售基于硅氧烷的消泡劑。兩種市售產(chǎn)品在施工條件下不能打破產(chǎn)生的泡沫氣泡。第三種市售產(chǎn)品花了70秒打破氣泡。含有分子組分的兩種硅氧烷消泡劑分別在25秒和28秒內(nèi)打破氣泡。
在VOC接近零的丙烯酸半光配方中評(píng)價(jià)產(chǎn)品，我們可看到含有分子活性物的消泡劑具有更大差異。市售有機(jī)硅產(chǎn)品，在使用量為相對(duì)于涂層的總質(zhì)量的0.5%(質(zhì)量比)使用時(shí)，不能打破施工時(shí)產(chǎn)生的泡沫，在干膜中留有可見(jiàn)的氣泡。含分子活性物的硅氧烷消泡劑在這個(gè)體系中仍然有效，破泡時(shí)間為68秒，且其使用量?jī)H為涂層總質(zhì)量的0.3%(質(zhì)量比)。含有分子活性物的消泡劑在使用量降低40%的情況下仍然能夠更加有效地破泡。
硅氧烷乳液消泡劑是分子消泡的另一個(gè)組分，對(duì)消泡性能有顯著的影響。在丙烯酸乳膠漆配方中，一種用于建筑或裝飾性涂料，另一種用于工業(yè)涂料，分子消泡組分在消除施工時(shí)產(chǎn)生的泡沫方面性能有顯著的改進(jìn)。下面的一個(gè)系列顯示了在消泡劑配方中添加不同量的分子消泡組分的影響。如結(jié)果所表明的，分子消泡組分能立即提高消泡活性，在基于消泡劑總配方量的2%～4%添加分子消泡組分后得到最佳的消泡效果。在裝飾性配方中，破泡時(shí)間從60秒降低至12秒。在工業(yè)涂料配方中，破泡時(shí)間從45秒縮短到10秒。
如上所述，單獨(dú)使用分子消泡組分消泡性能差。這表明，分子活性物需要正確配制到消泡劑組合物中來(lái)獲得達(dá)到積極有效的消泡效果。
在兩種建筑涂料配方中評(píng)價(jià)有機(jī)硅乳液消泡劑，這兩種乳膠漆的VOC均為50克/升。第一種是丙烯酸半光配方，體系中消泡劑的添加量為相當(dāng)于涂料配方總質(zhì)量的0.75%。需要注意的是，測(cè)試中的有機(jī)硅乳液消泡劑含有20%的總的活性物，因此添加0.75%相當(dāng)于僅添加了對(duì)于配方總質(zhì)量的0.15%的活性物，這是很重要的。正如所看到的，即使在這種很低的使用量情況下，含有分子消泡組分作為其活性物的一部分的有機(jī)硅乳液消泡劑在消除涂料施工時(shí)產(chǎn)生的泡沫仍是有效的，而不含任何分子消泡組分的有機(jī)硅乳液消泡劑并未能消除泡沫。
相同的消泡劑在第二種配方(即VOC為50克/升的平光丙烯酸體系)中也進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在該體系中，含有分子消泡組分的消泡劑能夠在0.3%的使用量(或0.06%活性物質(zhì))時(shí)就能消除施工時(shí)產(chǎn)生的泡沫。不含分子消泡組分的有機(jī)硅乳液消泡劑甚至在0.75%的使用量時(shí)也不能消除施工時(shí)產(chǎn)生的泡沫。
結(jié)論
含有一種分子消泡組分作為其組合物一部分的消泡劑與不含分子消泡組分的消泡劑對(duì)照物相比，具有更有效地消泡能力。可以減少涂料中消泡劑的用量，滿(mǎn)足了降低涂料中VOC的迫切需求。通過(guò)使用分子消泡劑，解決了低VOC涂料中更高難度的消泡問(wèn)題，尤其是VOC接近零的涂料配方。