淺談消泡劑的機理和應(yīng)用

 摘要：本文從泡沫的定義和概念說起，對油墨涂料中需要消泡劑起到的作用及能起到作用的物質(zhì)做了淺顯地介紹，著重描述了消泡劑的應(yīng)用和測試方法。 



　　關(guān)鍵詞：消泡劑、水性、涂料、測試

　　在許多油墨和涂料的加工生產(chǎn)過程中，需要使用具有表面活性的物質(zhì)來達到某些特殊的效果。例如，在水性涂料生產(chǎn)中，不溶于水的基料生產(chǎn)中，不溶于水的基料就需要使用乳化劑來處理。同時，我們通過使用助劑來改善涂料的基材潤濕性和顏料的分散性。 

　　表面活性劑較重要的特性是它們有集結(jié)在界面上的傾向，例如在空氣/水的界面。表面活性劑在界面上的排列取決于其溶解性和化學(xué)結(jié)構(gòu)。它將使界面表面張力降低，因而讓體系達到穩(wěn)定。但表面活性劑也帶來人們不愿看到的副作用-------穩(wěn)定涂料在生產(chǎn)和施工過程帶入的空氣，形成穩(wěn)定的泡沫，這在水性涂料體系中尤為常見。 

一、泡沫的定義和概念 

　　泡沫可以定義為空氣泡在液體介質(zhì)中的穩(wěn)定分散體。如果把一般空氣導(dǎo)入液體中，所產(chǎn)生的氣泡可假定成球狀。由于空氣的密度小于液體，因而它將向表面遷移，當(dāng)氣體到達不含表面活性劑的液體表面時，氣泡將破裂，泡內(nèi)空氣消散，先前在氣泡周圍的液體又融合在一起，因此，純液體（不含表面活性劑的液體）不存在泡沫問題。 

　　在含有表面活性劑的液體中，球狀氣泡上升，變成穩(wěn)定的宏泡（大泡）。雖然這些氣泡向空氣界面上升，但它們被表面活性劑分子層包圍住。在空氣介面上也有一層表面活性劑分子的表面膜，因此，當(dāng)氣泡升至表面時，形成雙膜層。雙膜層厚度可達若干微米，這些細小的表面泡沫很穩(wěn)定，較難消除。氣泡上升至表面增高而形成泡冠。隨著液體從雙膜層中排出，微泡會轉(zhuǎn)變成動力學(xué)上穩(wěn)定的宏泡，而且泡冠中泡沫雙液層變薄，使泡沫較易破裂。 

　　泡沫的穩(wěn)定受若干因素影響。其中之一的因素是穩(wěn)定的夾層很薄，夾層內(nèi)的液體不能排出或排出緩慢。另外占據(jù)在夾層上的表面活性劑離子之間的靜電排斥力也阻止了氣泡破裂。促使泡沫穩(wěn)定的另一個因素是吉布斯彈性。通過拉伸具有表面活性物質(zhì)的薄膜，這種彈性作用就會表現(xiàn)出來。在這種情況下，雙膜層的表面被擴張，導(dǎo)致表面活性劑的濃度局部減少，表面張力升高。被拉緊了的薄膜層像一張有彈性的皮一樣聚擾，使到表面張力達到盡可能低的水平。 

　　水性涂料和油墨在制造或施工過程中均會產(chǎn)生泡沫。制造過程中的混合，分散或過濾操作，使泡沫冠形成并上升，它會延長生產(chǎn)時間和減少體系的有效容積。施工過程，集結(jié)在空氣界面上的穩(wěn)定泡沫在涂膜干燥后會產(chǎn)生常見的表面缺陷。在印刷過程中泡沫破壞油墨的遷移性，較惡劣的情況下甚至引致油墨從工作槽中溢出。 

二、需要消泡劑起到的作用 

　　目前有關(guān)泡沫形成的理論對消泡和脫泡是有區(qū)別的。消泡劑的作用是把空氣截留于界面。脫泡劑的作用是在涂膜過程及涂膜完成后，使散布于涂膜中的微小空氣(微泡)，快速升到表面。但實際應(yīng)用上卻往往不能明確地作這種區(qū)分。消泡劑也能在某種程度上消除微泡。下面討論消泡劑在水性涂料和油墨中的消泡機制。 

　　消泡劑要顯示出效果，必須滿足一定的要求。其中之一就是它們必須能夠破壞上述的泡沫穩(wěn)定機理。為此，消泡劑在體系中要有一定的不相溶性，能夠遷移到空氣界面上。當(dāng)然，不能出現(xiàn)由于使用消泡劑而引起的類似縮孔那樣的嚴重副作用。 

　　為了能夠消泡，在涂料中乳化成微小液滴的消泡劑必須和穩(wěn)定泡沫的表面活性劑層結(jié)合并滲入到泡沫的雙分子膜層里。接著，消泡劑必須快速展布，穿過裂開的表面活性劑層。這時的薄膜與先前穩(wěn)定夾層的表面活性劑膜相比，彈性有了顯著的降低。最后，這種不穩(wěn)定導(dǎo)致雙分子膜層破裂，從而達到消泡的效果。因此，不相溶性、高展布能力和低表面張力是每種消泡劑都必需具有的重要性質(zhì)。 

　　在消泡劑中加入微細的疏水粒子，例如：二氧化硅，其消泡能力會得到有效的加強。它們的作用機理可解釋為一個反濕潤的過程。穩(wěn)定的表面活性劑雙分子膜層不能濕潤疏水的固體粒子，造成局部區(qū)域表面張力不穩(wěn)定，使雙分子膜層破裂。 

三、對水性涂料和油墨有消泡作用的物質(zhì) 

　　對水性體系，較大的兩類消泡劑是石油烴（礦物油）類和硅酮類。傳統(tǒng)上，芳香族和脂肪族的石油衍生物被用作消泡劑組成中的活性展布物質(zhì)。早期，芳香族油被廣使用。但其對健康和環(huán)境的危害性妨礙了它們的應(yīng)用。脂肪族油的毒性較小，但在水性介質(zhì)中相溶性較低，對中**光澤涂料會造成嚴重的失光問題。 

　　用疏水或部分親水的聚醚改性烷可以得到一系列非常高效的消泡劑。改性作用使消泡劑具有了非常強的展布特性，它不影響涂料的光澤，與體系相容性高。在現(xiàn)代水性涂料體系和油墨體系中得到廣泛應(yīng)用。 

　　聚醚改性**硅以ＳＩ－Ｏ－Ｃ鍵和ＳＩ－Ｃ鍵的鍵接形式，將聚醚鏈段和硅氧烷鏈段結(jié)合在一起。硅氧烷鏈段提供表面活性，而相溶性的程度則由聚醚鏈段的性質(zhì)所決定。被消泡體系的化學(xué)性質(zhì)對所選用消泡劑的化學(xué)性質(zhì)有所限制。由于水性體系配方較為復(fù)雜，消泡劑的結(jié)構(gòu)與其作用的范圍之間的關(guān)系難以闡述清楚。既然要求各有不同，因而不能期望有一種能用的方法來解決這些消泡的問題。由于某些聚醚改性硅氧烷物質(zhì)具有高的展面力，它不添加疏水性的固體粒子，也同樣具有出色的消泡能力。 

四、添加消泡劑的用量和步驟 

　　消泡劑的用量和功效取決于涂料或油墨的配方體系，特別是聚合物的類型、PH值、顏料用量以及所用到其他助劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)。同樣，制造工藝和施工過程對消泡劑的類型和用量也有要求。 

　　討論到添加的方法，要區(qū)分消泡劑乳液和消泡劑濃縮物這兩種形態(tài)的消泡劑產(chǎn)品。消泡劑乳液類產(chǎn)品的乳液液滴在產(chǎn)品供貨狀態(tài)時已經(jīng)被分散成理想的粒度大小分布。它可以在研磨料中或者在調(diào)漆過程添加，并且很容易在涂料或油墨中混合均勻。對于不含疏水性固體粒子的消泡劑，甚至可以在成漆中攪拌添加。 

　　含100％活性物的消泡劑濃縮物的加入方式直接影響消泡劑的效果，在加入階段得到的粒子大小分布決定了其消泡效果，為此，消泡劑濃縮物通常添加到研磨基料中。消泡劑使用高剪切力加入至體系中，但是過高的剪切力會減弱消泡效果。消泡劑的過度分散和較差的分散，都不利于消泡劑效能的發(fā)揮，添加消泡劑時使用相對低的剪切力，初期的消泡效果也許良好，但經(jīng)過儲存階段，消泡劑的效果就可能會降低。 

　　一般的消泡劑都是設(shè)計成以供貨時的狀態(tài)來使用，如果添加時剪切力不夠，可用醇或聚結(jié)劑把100％活性物的消泡劑預(yù)先稀釋。稀釋比例的范圍是消泡劑對稀釋為1：1到1：9，以方便加入及改善消泡粒子大小的合理分布。這樣有利于消泡功效提高和減少縮孔的傾向。通常地消泡劑的預(yù)稀釋會降低消泡劑活性物的長期穩(wěn)定性，因此要注意消泡劑的稀釋后的貯存穩(wěn)定性。
五、針對消泡劑的一些實用性測試 

　　消泡劑的功效必須先在實驗室測定。未經(jīng)進一步的測試就把實驗室的試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換到生產(chǎn)規(guī)模應(yīng)用是不可取的。我們在工作中研究出的測試方法，結(jié)合了涂料制造和施工過程的條件，對消泡劑的功郊評價是可行的。根據(jù)施工情況的不同（如刷涂、噴涂、浸涂、印刷等），可分別選擇不同的測試方法。 

1、攪拌試驗 
　　對于我們使用者而言,較簡單的測試方法是攪拌試驗。在一定的條件下，用一片渦輪葉片把空氣滲進有消泡劑的待測涂料體系中。在攪拌之后，即刻把物料倒入帶標線刻度的測量瓶中，然后稱重，通過重量的差異比較，判定體系中滲入空氣的量，從而推斷出消泡劑的效果。該試驗也顯示體系中含有多少以球狀氣泡形式存在的空氣量。 

　　另一個試驗方法是用于檢測宏泡的數(shù)量。在一定條件下，將空氣滲入至體系中，再通過量筒量度相同重量材料的高度，評價消泡劑的效果。該方法可以指導(dǎo)我們在實際工作中選定混合容器的容量比。 

　　許多消泡劑也會引發(fā)漆膜表面缺陷，如縮孔等，它與泡沫問題一樣，是我們所有的油墨生產(chǎn)者不愿意看到的，這也只能通過批量使用前，大量和面廣地進行實驗和試驗。 

2、流涂試驗 
　　流涂試驗，可以被用來評價消泡劑與被試驗的涂料體系的相容性和消泡效果。把經(jīng)過攪拌試驗的試樣立即澆到一塊聚酯膜上。聚酯膜要事先放在垂直成25度傾角的框架上。仔細觀察流涂試片，上面是否有顯示帶入的氣泡。該方法還可以通過觀察干膜來評價消泡劑的脫泡效果。 

　　在某些情況下，經(jīng)過攪拌試驗和流涂試驗篩選出的消泡劑較其添加量，對那些表面不是很光滑，且含有空氣的底材是不足以說明問題和給予評價的。決定較佳的消泡劑用量時，要充分考慮到產(chǎn)品的較終用途。 

3、輥涂試驗 
　　輥涂試驗的方法十分接近涂料實際的施工條件，以致能區(qū)別出不同的消泡劑所起的作用。甚至可以試驗出其添加量。在做輥涂試驗的時候，用一個多孔海綿做護墊的滾子，把40克油漆涂在沒有吸附性的底材上，可以是**的試驗卡，也可以是其他標準化的試驗卡紙，總涂覆面積為500cm2，每次試驗之前，要用等量的水弄濕滾輪，以保證每次試驗的重現(xiàn)性。濕膜涂布率約為300 g/m2。 

　　涂膜干燥后，再比較實驗卡紙，評價試板的表面缺陷情況。如果在標準光源中，將試板進行背光檢查，仔細觀察表現(xiàn)為光點的氣泡，這就較加容易區(qū)分消泡劑的優(yōu)劣性能。 

　　上述的攪拌試驗、流涂試驗和輥涂試驗，都有助于測試消泡劑的效果和性能，以此來確定較佳的適合產(chǎn)品的消泡劑品種和用量，借以滿足諸如底材、體系、印刷或施工條件等綜合因素對消泡劑的要求。 

六、水基油墨“氣泡多”的故障和解決方法 

　　我們**討論了氣泡產(chǎn)生的機理，其實水基油墨產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象特別容易出現(xiàn)在開啟式供墨方式印刷大面積實地時，采用循環(huán)封閉式供墨系統(tǒng)時，這種弊病可以用微乎其微來形容。 

　　水基油墨容易產(chǎn)生氣泡的原因其實取決于它的組成：水基油墨一般由不溶性顏料、水溶性或水分散性樹脂、表面活性劑、水、少量及其它助劑組成，屬于堿性體系，也就是皂化體系，類似于肥皂水或洗滌劑，在頻繁翻動的情況下較易產(chǎn)生氣泡。 

　　減少或消除氣泡的常規(guī)方法有：加入消泡劑、控制黏度和PH值、機械因素等。

　　加入消泡劑是一個直接有效的辦法，但值得注意的一點是：國內(nèi)廠家生產(chǎn)的消泡劑大多采用硅膠類，加入過量后，容易使油墨顆粒變粗，引起印品實地圖案出現(xiàn)針孔，柔性版材出現(xiàn)小凹陷、龜裂等弊病，所以加入的量控制很重要，較好保持在0.5%至1.5%左右。至于消泡劑的其它方面，前文已經(jīng)加以敘述。 

　　控制好黏度和PH值，是因為油墨在太稠或過度稀釋情況下都容易產(chǎn)生氣泡。油墨之所以變稠也是因為開啟式供墨系統(tǒng)中墨斗與空氣的接觸面積較大，油墨內(nèi)易揮發(fā)成分的氨或胺類揮發(fā)逸出，使得堿性體系輕度失調(diào)，此時較直觀的表現(xiàn)就是油墨黏度增高，PH值下降。采用的辦法是每30至40分鐘一次加入一種PH值在11的穩(wěn)定劑，來補充堿性成份。 

　　至于機械方面，可以采用正面擋墨板，適當(dāng)提高印刷車速，使氣泡不易轉(zhuǎn)移到網(wǎng)紋輥上。充分利用循環(huán)泵供墨，墨斗內(nèi)水墨下層相對穩(wěn)定，氣泡較輕，一般浮在油墨表層，不會隨著輸墨管進入墨腔。加正面擋墨板可以使得開啟式墨斗內(nèi)網(wǎng)紋輥附近形成一個相對穩(wěn)定的半封閉油墨區(qū)域，并將不斷產(chǎn)生的氣泡擋在這一區(qū)域之外，減少了氣泡接近網(wǎng)紋輥的幾率。適當(dāng)提高車速，使得這個半封閉區(qū)域內(nèi)的壓力增大，有效限制氣泡存在的時間，這兩個作用剛好與封閉式供墨系統(tǒng)的優(yōu)點吻合，因此，也是一個非?？茖W(xué)有效的方法。 

　　其實還有一個較簡單的辦法，增加自制的兩塊擋墨板后，再用兩塊廢紙板插入沿正面擋板兩側(cè)流動的油墨中，此時的紙板一定要與流動油墨方向相垂直。訣竅是側(cè)面擋墨板插入的深度，既不能太深，也不能太淺，控制在氣泡層與油墨層的分界處。 

　　許多的印刷廠還采用人工撇墨的辦法。停機時，墨斗內(nèi)油墨停止翻動，原來包裹在油墨內(nèi)的氣泡滿滿浮到油墨表層，這時候，可以用硬紙板等工具將氣泡撇去，減少消泡劑加入的次數(shù)，對保持油墨的印刷適應(yīng)性和減少柔性版出現(xiàn)凹陷也有作用。 

七、小結(jié) 

　　消泡劑的作用是抑制和消除氣泡的產(chǎn)生；一般來說，當(dāng)水性油墨的黏度過高、PH值偏低，也或者當(dāng)印刷機運轉(zhuǎn)速度比較快時就容易產(chǎn)生氣泡，如果產(chǎn)生的氣泡量比較大就會出現(xiàn)臟版。水性油墨一般采用堿溶性連結(jié)料，這種連結(jié)料是一種酸性樹脂的堿溶液，它是類似于肥皂的水溶液，正因為水溶性連結(jié)料具有肥皂特性，在墨斗中由于墨斗輥的攪拌作用就會產(chǎn)生泡沫，泡沫的產(chǎn)生會導(dǎo)致印刷品的質(zhì)量問題，所以對于水性油墨必須采用消泡劑或防沫劑來控制其泡沫的產(chǎn)生。 

　　消泡劑可以破碎或抑制已經(jīng)產(chǎn)生的泡沫，而防沫劑防止或抑制泡沫的形成。防沫劑和消泡劑一般都是水溶性材料，如硅、改良脂肪酸和像乙基一類酒精。防沫的效果通常與油墨的老化程度有關(guān)，新配制的油墨比以前配制的油墨在使用時產(chǎn)生泡沫的可能性較小。 

　　使用消泡劑應(yīng)該注意消泡劑與水的混合比例，一般推薦采用3：1左右的比例，并且推薦采用噴槍噴射到墨斗槽中的油墨表面上，防沫劑或消泡劑的用量應(yīng)該注意不宜過多，否則引起油墨高屈服點和觸變流變問題，使印版局部膨脹產(chǎn)生魚眼和凹坑弊病。