消泡剂的机理和应用

摘要：本文从泡沫的定义和概念说起，对油墨涂料中需要消泡剂起到的作用及能起到作用的物质做了浅显地介绍，着重描述了消泡剂的应用和测试方法。关键词：消泡剂、水性、涂料、测试

在许多油墨和涂料的加工生产过程中，需要使用具有表面活性的物质来达到某些特殊的效果。例如，在水性涂料生产中，不溶于水的基料生产中，不溶于水的基料就需要使用乳化剂来处理。同时，我们通过使用助剂来改善涂料的基材润湿性和颜料的分散性。

表面活性剂最重要的特性是它们有集结在界面上的倾向，例如在空气/水的界面。表面活性剂在界面上的排列取决于其溶解性和化学结构。它将使界面表面张力降低，因而让体系达到稳定。但表面活性剂也带来人们不愿看到的副作用——稳定涂料在生产和施工过程带入的空气，形成稳定的泡沫，这在水性涂料体系中尤为常见。

一、泡沫的定义和概念

泡沫可以定义为空气泡在液体介质中的稳定分散体。如果把一般空气导入液体中，所产生的气泡可假定成球状。由于空气的密度小于液体，因而它将向表面迁移，当气体到达不含表面活性剂的液体表面时，气泡将破裂，泡内空气消散，先前在气泡周围的液体又融合在一起，因此，纯液体（不含表面活性剂的液体）不存在泡沫问题。

在含有表面活性剂的液体中，球状气泡上升，变成稳定的宏泡（大泡）。虽然这些气泡向空气界面上升，但它们被表面活性剂分子层包围住。在空气介面上也有一层表面活性剂分子的表面膜，因此，当气泡升至表面时，形成双膜层。双膜层厚度可达若干微米，这些细小的表面泡沫很稳定，较难消除。气泡上升至表面增高而形成泡冠。随着液体从双膜层中排出，微泡会转变成动力学上稳定的宏泡，而且泡冠中泡沫双液层变薄，使泡沫较易破裂。

泡沫的稳定受若干因素影响。其中之一的因素是稳定的夹层很薄，夹层内的液体不能排出或排出缓慢。另外占据在夹层上的表面活性剂离子之间的静电排斥力也阻止了气泡破裂。促使泡沫稳定的另一个因素是吉布斯弹性。通过拉伸具有表面活性物质的薄膜，这种弹性作用就会表现出来。在这种情况下，双膜层的表面被扩张，导致表面活性剂的浓度局部减少，表面张力升高。被拉紧了的薄膜层像一张有弹性的皮一样聚扰，使到表面张力达到尽可能低的水平。

水性涂料和油墨在制造或施工过程中均会产生泡沫。制造过程中的混合，分散或过滤操作，使泡沫冠形成并上升，它会延长生产时间和减少体系的有效容积。施工过程，集结在空气界面上的稳定泡沫在涂膜干燥后会产生常见的表面缺陷。在印刷过程中泡沫破坏油墨的迁移性，最恶劣的情况下甚至引致油墨从工作槽中溢出。

二、需要消泡剂起到的作用

目前有关泡沫形成的理论对消泡和脱泡是有区别的。消泡剂的作用是把空气截留于界面。脱泡剂的作用是在涂膜过程及涂膜完成后，使散布于涂膜中的微小空气(微泡)，快速升到表面。但实际应用上却往往不能明确地作这种区分。消泡剂也能在某种程度上消除微泡。下面讨论消泡剂在水性涂料和油墨中的消泡机制。消泡剂要显示出效果，必须满足一定的要求。其中之一就是它们必须能够破坏上述的泡沫稳定机理。为此，消泡剂在体系中要有一定的不相溶性，能够迁移到空气界面上。当然，不能出现由于使用消泡剂而引起的类似缩孔那样的严重副作用。

为了能够消泡，在涂料中乳化成微小液滴的消泡剂必须和稳定泡沫的表面活性剂层结合并渗入到泡沫的双分子膜层里。接着，消泡剂必须快速展布，穿过裂开的表面活性剂层。这时的薄膜与先前稳定夹层的表面活性剂膜相比，弹性有了显著的降低。最后，这种不稳定导致双分子膜层破裂，从而达到消泡的效果。因此，不相溶性、高展布能力和低表面张力是每种消泡剂都必须具有的重要性质。

在消泡剂中加入微细的疏水粒子，例如：二氧化硅，其消泡能力会得到有效的加强。它们的作用机理可解释为一个反湿润的过程。稳定的表面活性剂双分子膜层不能湿润疏水的固体粒子，造成局部区域表面张力不稳定，使双分子膜层破裂。

三、对水性涂料和油墨有消泡作用的物质

对水性体系，最大的两类消泡剂是石油烃（矿物油）类和硅酮类。传统上，芳香族和脂肪族的石油衍生物被用作消泡剂组成中的活性展布物质。早期，芳香族油被广使用。但其对健康和环境的危害性妨碍了它们的应用。脂肪族油的毒性较小，但在水性介质中相溶性较低，对中至高光泽涂料会造成严重的失光问题。

用疏水或部分亲水的聚醚改性聚硅氧烷可以得到一系列非常高效的消泡剂。改性作用使消泡剂具有了非常强的展布特性，它不影响涂料的光泽，与体系相容性高。在现代水性涂料体系和油墨体系中得到广泛应用。

聚醚改性有机硅以ＳＩ－Ｏ－Ｃ键和ＳＩ－Ｃ键的键接形式，将聚醚链段和硅氧烷链段结合在一起。硅氧烷链段提供表面活性，而相溶性的程度则由聚醚链段的性质所决定。被消泡体系的化学性质对所选用消泡剂的化学性质有所限制。由于水性体系配方较为复杂，消泡剂的结构与其作用的范围之间的关系难以阐述清楚。既然要求各有不同，因而不能期望有一种能用的方法来解决这些消泡的问题。由于某些聚醚改性硅氧烷物质具有高的展面力，它不添加疏水性的固体粒子，也同样具有出色的消泡能力。

四、添加消泡剂的用量和步骤

消泡剂的用量和功效取决于涂料或油墨的配方体系，特别是聚合物的类型、PH 值、颜料用量以及所用到其他助剂的化学结构。同样，制造工艺和施工过程对消泡剂的类型和用量也有要求。

讨论到添加的方法，要区分消泡剂乳液和消泡剂浓缩物这两种形态的消泡剂产品。消泡剂乳液类产品的乳液液滴在产品供货状态时已经被分散成理想的粒度大小分布。它可以在研磨料中或者在调漆过程添加，并且很容易在涂料或油墨中混合均匀。对于不含疏水性固体粒子的消泡剂，甚至可以在成漆中搅拌添加。

含100％活性物的消泡剂浓缩物的加入方式直接影响消泡剂的效果，在加入阶段得到的粒子大小分布决定了其消泡效果，为此，消泡剂浓缩物通常添加到研磨基料中。消泡剂使用高剪切力加入至体系中，但是过高的剪切力会减弱消泡效果。消泡剂的过度分散和较差的分散，都不利于消泡剂效能的发挥，添加消泡剂时使用相对低的剪切力，初期的消泡效果也许良好，但经过储存阶段，消泡剂的效果就可能会降低。

一般的消泡剂都是设计成以供货时的状态来使用，如果添加时剪切力不够，可用醇或聚结剂把100％活性物的消泡剂预先稀释。稀释比例的范围是消泡剂对稀释为1：1到1：9，以方便加入及改善消泡粒子大小的合理分布。这样有利于消泡功效提高和减少缩孔的倾向。通常地消泡剂的预稀释会降低消泡剂活性物的长期稳定性，因此要注意消泡剂的稀释后的贮存稳定性。

五、针对消泡剂的一些实用性测试

消泡剂的功效必须先在实验室测定。未经进一步的测试就把实验室的试验结果转

换到生产规模应用是不可取的。我们在工作中研究出的测试方法，结合了涂料制造和施工过程的条件，对消泡剂的功郊评价是可行的。根据施工情况的不同（如刷涂、喷涂、浸涂、印刷等），可分别选择不同的测试方法。

1、搅拌试验

对于我们使用者而言,最简单的测试方法是搅拌试验。在一定的条件下，用一片涡轮叶片把空气渗进有消泡剂的待测涂料体系中。在搅拌之后，即刻把物料倒入带标线刻度的测量瓶中，然后称重，通过重量的差异比较，判定体系中渗入空气的量，从而推断出消泡剂的效果。该试验也显示体系中含有多少以球状气泡形式存在的空气量。

另一个试验方法是用于检测宏泡的数量。在一定条件下，将空气渗入至体系中，再通过量筒量度相同重量材料的高度，评价消泡剂的效果。该方法可以指导我们在实际工作中选定混合容器的容量比。

许多消泡剂也会引发漆膜表面缺陷，如缩孔等，它与泡沫问题一样，是我们所有的油墨生产者不愿意看到的，这也只能通过批量使用前，大量和面广地进行实验和试验。

2、流涂试验

流涂试验，可以被用来评价消泡剂与被试验的涂料体系的相容性和消泡效果。把经过搅拌试验的试样立即浇到一块聚酯膜上。聚酯膜要事先放在垂直成25度倾角的框架上。仔细观察流涂试片，上面是否有显示带入的气泡。该方法还可以通过观察干膜来评价消泡剂的脱泡效果。

在某些情况下，经过搅拌试验和流涂试验筛选出的消泡剂极其添加量，对那些表面不是很光滑，且含有空气的底材是不足以说明问题和给予评价的。决定最佳的消泡剂用量时，要充分考虑到产品的最终用途。

3、辊涂试验

辊涂试验的方法十分接近涂料实际的施工条件，以致能区别出不同的消泡剂所起的作用。甚至可以试验出其添加量。在做辊涂试验的时候，用一个多孔海绵做护垫的滚子，把40克油漆涂在没有吸附性的底材上，可以是专用的试验卡，也可以是其他标准化的试验卡纸，总涂覆面积为500cm2，每次试验之前，要用等量的水弄湿滚轮，以保证每次试验的重现性。湿膜涂布率约为300 g/m2。

涂膜干燥后，再比较实验卡纸，评价试板的表面缺陷情况。如果在标准光源中，将试板进行背光检查，仔细观察表现为光点的气泡，这就更加容易区分消泡剂的优劣性能。

上述的搅拌试验、流涂试验和辊涂试验，都有助于测试消泡剂的效果和性能，以此来确定最佳的适合产品的消泡剂品种和用量，借以满足诸如底材、体系、印刷或施工条件等综合因素对消泡剂的要求。

六、水基油墨“气泡多”的故障和解决方法

我们前面讨论了气泡产生的机理，其实水基油墨产生气泡的现象特别容易出现在开启式供墨方式印刷大面积实地时，采用循环封闭式供墨系统时，这种弊病可以用微乎其微来形容。

水基油墨容易产生气泡的原因其实取决于它的组成：水基油墨一般由不溶性颜料、水溶性或水分散性树脂、表面活性剂、水、少量乙醇及其它助剂组成，属于碱性体系，也就是皂化体系，类似于肥皂水或洗涤剂，在频繁翻动的情况下极易产生气泡。

减少或消除气泡的常规方法有：加入消泡剂、控制黏度和PH值、机械因素等。

加入消泡剂是一个直接有效的办法，但值得注意的一点是：国内厂家生产的消泡剂大多采用硅胶类，加入过量后，容易使油墨颗粒变粗，引起印品实地图案出现针孔，柔性版材出现小凹陷、龟裂等弊病，所以加入的量控制很重要，最好保持在0.5%至1.5%左右。至于消泡剂的其它方面，前文已经加以叙述。

控制好黏度和PH值，是因为油墨在太稠或过度稀释情况下都容易产生气泡。油墨之所以变稠也是因为开启式供墨系统中墨斗与空气的接触面积较大，油墨内易挥发成分的氨或胺类挥发逸出，使得碱性体系轻度失调，此时最直观的表现就是油墨黏度增高，PH值下降。采用的办法是每30至40分钟一次加入一种PH值在11的稳定剂，来补充碱性成份。

至于机械方面，可以采用正面挡墨板，适当提高印刷车速，使气泡不易转移到网纹辊上。充分利用循环泵供墨，墨斗内水墨下层相对稳定，气泡较轻，一般浮在油墨表层，不会随着输墨管进入墨腔。加正面挡墨板可以使得开启式墨斗内网纹辊附近形成一个相对稳定的半封闭油墨区域，并将不断产生的气泡挡在这一区域之外，减少了气泡接近网纹辊的几率。适当提高车速，使得这个半封闭区域内的压力增大，有效限制气泡存在的时间，这两个作用刚好与封闭式供墨系统的优点吻合，因此，也是一个非常科学有效的方法。

其实还有一个更简单的办法，增加自制的两块挡墨板后，再用两块废纸板插入沿正面挡板两侧流动的油墨中，此时的纸板一定要与流动油墨方向相垂直。诀窍是侧面挡墨板插入的深度，既不能太深，也不能太浅，控制在气泡层与油墨层的分界处。

许多的印刷厂还采用人工撇墨的办法。停机时，墨斗内油墨停止翻动，原来包裹在油墨内的气泡满满浮到油墨表层，这时候，可以用硬纸板等工具将气泡撇去，减少消泡剂加入的次数，对保持油墨的印刷适应性和减少柔性版出现凹陷也有作用。

七、小结

消泡剂的作用是抑制和消除气泡的产生，一般来说，当水性油墨的黏度过高、PH值偏低，也或者当印刷机运转速度比较快时就容易产生气泡，如果产生的气泡量比较大就会出现脏版。水性油墨一般采用碱溶性连结料，这种连结料是一种酸性树脂的碱溶液，它是类似于肥皂的水溶液，正因为水溶性连结料具有肥皂特性，在墨斗中由于墨斗辊的搅拌作用就会产生泡沫，泡沫的产生会导致印刷品的质量问题，所以对于水性油墨必须采用消泡剂或防沫剂来控制其泡沫的产生。消泡剂可以破碎或抑制已经产生的泡沫，而防沫剂防止或抑制泡沫的形成。防沫剂和消泡剂一般都是水溶性材料，如硅、改良脂肪酸和像乙基乙醇一类酒精。防沫的效果通常与油墨的老化程度有关，新配制的油墨比以前配制的油墨在使用时产生泡沫的可能性较小。

使用消泡剂应该注意消泡剂与水的混合比例，一般推荐采用3：1左右的比例，并且推荐采用喷枪喷射到墨斗槽中的油墨表面上，防沫剂或消泡剂的用量应该注意不宜过多，否则引起油墨高屈服点和触变流变问题，使印版局部膨胀产生鱼眼和凹坑弊病。