為防止空氣滯留和起泡，水性涂料配方中常加入消泡劑。通 過捕捉噴涂在玻璃基材表面涂層的高分辨率圖像，對(duì)消泡劑性能 進(jìn)行了研究。圖像分析對(duì)助劑效果提供了定量測量。出乎意料的 是，最有效的產(chǎn)品為非離子的潤濕劑而非消泡劑。

涂料的作用除了用于裝飾外，用在木器表面還起到改善性能的 作用[1]。在眾多的涂料配方中，聚氨酯（PU）具有最優(yōu)異的 耐磨性和耐化學(xué)性[2]。直到最近，溶劑型PU涂料在木器涂料市場 上仍占主導(dǎo)地位。然而，由于環(huán)境法規(guī)和消費(fèi)者偏好，市場正轉(zhuǎn) 向水性涂料[1]。

在向水性涂料技術(shù)轉(zhuǎn)換中，面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何使水 性涂料的表面張力降低到接近溶劑型涂料的表面張力—約25 mN/m[3]。為了實(shí)現(xiàn)良好的濕潤性和附著力，任何所配制涂料的表面張 力都應(yīng)大大低于待涂覆基材的表面能[4]。

例如，木材的表面能約為44 mN/m[5]，而水的表面張力為 72 mN/m。因此，在不同的水性涂料配方中，必須使用不同的助 劑，使涂料的表面張力降低至涂料自身（不含水）的表面張力約 30 mN/m[3]。在干燥過程中，如果涂膜的表面黏度變得太高，形成 的氣泡無法從表面逸出，就會(huì)滯留在涂膜中。此外，異氰酸酯與 水反應(yīng)生成的CO2也可導(dǎo)致水性聚氨酯涂料中形成氣泡的問題[2-6]。 所以，采用消泡劑可防止空氣滯留和起泡。消泡劑為低表面張力 的液體，可進(jìn)入氣泡膜內(nèi)[7]，或作為載體將疏水顆粒轉(zhuǎn)移到氣泡膜 內(nèi)；這兩種方式都會(huì)導(dǎo)致泡沫破裂[7]。

嵌段共聚物消泡劑通常用于新型水性涂料配方中[8]。盡管預(yù)測哪種類型的助劑會(huì)破壞泡膜相對(duì)比較簡單，但詳細(xì)的預(yù)測非 常困難，這是因?yàn)橛卸喾N成分可能終止氣泡接觸面[6]。

為了應(yīng)對(duì)新涂料配方的起泡問題，需要研究表面活性 劑、潤濕劑、水性聚合物以及消泡劑的結(jié)合使用，這一點(diǎn)至 關(guān)重要[6]。本研究的主要目標(biāo)在于設(shè)計(jì)一種精確的定量研究， 對(duì)不同助劑在水性聚氨酯涂料配方中的氣泡形成和消泡效果 進(jìn)行測量。

表面張力測量過程

本研究中，用一種水性雙組分脂肪族聚氨酯樹脂（Daotan公司產(chǎn)品）作為基礎(chǔ)樹脂。使用了一些市售的、通常建議用于木 器涂料的消泡劑和通用助劑（來自不同制造商）。對(duì)純樹脂的表 面張力進(jìn)行測量，并與以不同濃度的各種助劑混合后樹脂的表面 張力進(jìn)行比較。采用Wilhelmy板法，規(guī)格22 mm x 50 mm x 0.15 mm，在"Sigma 70"張力儀進(jìn)行測量，每個(gè)樣品取10次讀數(shù) 的平均值。在所有氣泡研究中，嚴(yán)格按照木器涂料制造商建議的 助劑與樹脂的比率混合。此外，還進(jìn)行了試驗(yàn)分析，來定量和定 性測定涂料配方中使用的不同助劑對(duì)氣泡數(shù)量、大小的影響以及 在噴涂后15 min內(nèi)的變化情況。本研究對(duì)每種助劑的效果都進(jìn)行 了單獨(dú)測試。每個(gè)配方包含兩種成分：純樹脂及一種所述助劑。 表1的前兩欄中列出了本研究中使用的所有助劑的名稱及濃度。用 一個(gè)木制攪拌器將這些組合物完全混合，用手持式壓縮空氣噴槍 噴涂在玻璃表面。

涂裝和成像程序

根據(jù)樹脂密度及玻璃表面積對(duì)噴涂次數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使最終的 濕膜厚度達(dá)到約150 μm。使用的玻璃基材為耐熱硼硅方形玻璃， （規(guī)格為5 cm x 5 cm x 0.3 cm，由McMaster-Carr公司生產(chǎn)）。一旦完成噴涂，將玻璃基材在單反（SLR）數(shù)碼相機(jī)（Nikon"D90"） 下成像，見圖1（左）。

為更好地控制靜止拍照時(shí)間的準(zhǔn)確度，使用了一個(gè)定時(shí)器系 統(tǒng)（TC-N3，JYC Technology）。試驗(yàn)采用LED光板（Porta Trace公 司）工作面尺寸為22 cm×27 cm，亮白LED燈作為光源。在裝置周 圍放置了一個(gè)燈箱，給照相機(jī)遮擋外部光源。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的照 片見圖1（右）。15 min內(nèi)，每隔5 s拍攝一次照片。用"ImageJ" 軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，用Macro對(duì)分析過的每張圖像的氣泡數(shù)量和 平均大小進(jìn)行匯總。

檢查不同添加率的影響

表1對(duì)表面張力測量結(jié)果進(jìn)行了匯總。在0.1%的固定濃度下， 對(duì)每種助劑進(jìn)行了測量，并與推薦的木器涂料配方用的不同濃度 樹脂的表面張力進(jìn)行了比較。

在確定助劑降低表面張力的效果時(shí)，應(yīng)考慮兩種因素：純樹 脂及助劑/樹脂配方之間的表面張力的降低幅度；在兩種濃度時(shí)的 表面張力差異。
此外，數(shù)據(jù)表明降低表面張力所需的濃度。如果0.1%濃度配 方的表面張力與更高濃度配方的表面張力相似，這意味著配方中 無需再使用更多量的助劑。
例如，分子消泡劑 Surfynol MD 20在僅添加0.1%時(shí)，表面張 力就降得非常低。這意味著不僅無需更高濃度，并且更多劑量會(huì) 對(duì)表面張力造成輕微的負(fù)面影響。

另一示例為Byk-346表面活性劑，這是一種聚醚改性的聚硅氧 烷助劑，推薦用來降低表面張力。添加0.1%到樹脂中，可將表面 張力降低至25.8 mN/m，這與添加0.3%后的表面張力（25.0 mN/ m）非常接近。這說明，添加更多并無益處。

氣泡滯留的研究結(jié)果

采用不同的助劑，初始和最終氣泡的數(shù)量和大小各不相同。 在每種情況下，在15 min內(nèi)的圖像分析研究期間，氣泡數(shù)量隨著 時(shí)間而減少，直至達(dá)到最后的氣泡數(shù)量。圖2～圖6顯示在15 min 內(nèi)使用不同助劑的處理過的快照?qǐng)D像，其中t = 0、1、3、7、 12min。每張圖像的分辨率為4 288 x 2 848像素。表2是使用每種助 劑的初始和最終氣泡數(shù)量和大小的匯總。

純樹脂在開始時(shí)，整個(gè)表面上都覆蓋有大小不等的氣泡。然 后，氣泡開始四處移動(dòng)，彼此碰撞匯合形成一些大氣泡。這是氣 泡周圍產(chǎn)生的表面張力梯度所造成的一種效果（見圖2）。接著， 一些氣泡逐漸破裂，表面上的氣泡數(shù)量減少，但即使樹脂完全干 燥后，表面上仍然有很多氣泡（24 h后）。
添加硅氧烷類表面活性劑（"Byk-346"）可使大氣泡無法形 成。但剛開始時(shí)的小氣泡仍然較多，其中一些在觀察15 min后仍 然存在。

圖4和圖5顯示添加由同一家公司生產(chǎn)的兩種消泡劑后的圖像。新產(chǎn)品Foamex 822的效果顯然優(yōu)于Foamex 800。因此，制造 商肯定會(huì)建議使用前一種產(chǎn)品作為高效消泡劑。

從圖6中可看出，用作潤濕劑的Hydropalat非離子表面活性劑 在減少樹脂中初始?xì)馀菪纬煞矫孀钣行?，它也能快速消除少量?成的小氣泡。
氣泡數(shù)量的下降趨勢是每種助劑潛在優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)。圖7詳細(xì) 展示了隨著時(shí)間的延長，一些助劑和樹脂的氣泡數(shù)量變化情況。 在某些情況下，如圖7中的純樹脂，在開始幾分鐘內(nèi)氣泡數(shù)量會(huì)增加，這是由于涂膜中的溶解氣泡移動(dòng)至表面所造成。然后，隨著 氣泡從表面逸離，可觀察到氣泡數(shù)量逐漸減少。

試驗(yàn)程序?yàn)楦敿?xì)的研究提供可能

本研究的獨(dú)特設(shè)計(jì)能將添加到水性聚氨酯樹脂配方中的多種 消泡劑、表面活性劑及潤濕劑的消泡效果進(jìn)行精準(zhǔn)的比較。詳細(xì) 研究呈現(xiàn)了初始?xì)馀輸?shù)量及消泡情況，有助于消泡劑制造商對(duì)當(dāng) 前存在問題進(jìn)行深入了解。

這些結(jié)果以及表面張力分析也將有助于涂料配方人員選擇最 佳消泡劑，并了解它們?cè)谂浞街械臏?zhǔn)確用量。在本研究測試過的 所有助劑中，非離子表面活性劑的效果最好，形成的初始?xì)馀葑?少，在觀察15 min后濕膜幾乎完全沒有氣泡。

需要與涂料原材料制造商密切合作開展更深入的研究，才能 根據(jù)表面活性劑或消泡劑的化學(xué)特性來解釋上述觀察效果，并說 明將其用于更多樹脂類型和配方的方法。

對(duì)于主要涂料助劑制造商和涂料行業(yè)來說，了解減少水性 涂料濕膜中的氣泡形成以及快速消泡的作用機(jī)理是一種突破性研 究。需要進(jìn)行更多的研究來確定在氣泡滯留研究中助劑組合和最 佳添加順序的影響。

多倫多大學(xué)先進(jìn)涂料技術(shù)中心正在進(jìn)行的研究重點(diǎn)為：干 燥或固化期間涂料中氣泡的運(yùn)動(dòng)，以及使氣泡滯留在基材表面 還是將氣泡推到表面破裂的機(jī)理。

結(jié)果一覽

水的低蒸發(fā)率和高表面張力使水性涂料配方易產(chǎn)生氣泡 滯留，造成起泡缺陷。在生產(chǎn)、包裝和涂裝過程中會(huì)形成 氣泡。為防止起泡，通常要加消泡劑。

通過捕捉水性聚氨酯涂料噴涂在玻璃基材表面的高分辨 率圖像，研究了使用不同助劑對(duì)氣泡形成和消泡效果。

圖像分析顯示某些助劑可減少剛開始形成的氣泡數(shù)量以 及15 min后濕膜中的氣泡數(shù)量。定量分析提供了經(jīng)測試的 消泡劑的效果的準(zhǔn)確對(duì)比。

添加非離子潤濕劑幾乎不會(huì)產(chǎn)生氣泡，與研究中評(píng)估的 所有消泡劑相比效果出奇的好。

致謝

作者對(duì)Maryam Rezazadeh在整個(gè)項(xiàng)目期間提供的幫助表示感謝，同 時(shí)感謝Sherwin-Williams Canada Inc.公司和加拿大自然科學(xué)工程研究委 員會(huì)（NSERC）提供的資金支持。

參考文獻(xiàn)
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