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，對消泡劑性能 進行了研究。圖像分析對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破壞泡膜相對比較簡單，但詳細(xì)的預(yù)測非 常困難，這是因為有多種成分可能終止氣泡接觸面[6]。

為了應(yīng)對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，這一點至 關(guān)重要[6]。本研究的主要目標(biāo)在于設(shè)計一種精確的定量研究， 對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）。對純樹脂的表 面張力進行測量，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"張力儀進行測量，每個樣品取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，還進行了試驗分析，來定量和定 性測定涂料配方中使用的不同助劑對氣泡數(shù)量、大小的影響以及 在噴涂后15 min內(nèi)的變化情況。本研究對每種助劑的效果都進行 了單獨測試。每個配方包含兩種成分：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噴涂次數(shù)進行調(diào)整，使最終的 濕膜厚度達到約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（Nikon"D90"） 下成像，見圖1（左）。

為更好地控制靜止拍照時間的準(zhǔn)確度，使用了一個定時器系 統(tǒng)（TC-N3，JYC Technology）。試驗采用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 圍放置了一個燈箱，給照相機遮擋外部光源。整個實驗裝置的照 片見圖1（右）。15 min內(nèi)，每隔5 s拍攝一次照片。用"ImageJ" 軟件對圖像進行處理，用Macro對分析過的每張圖像的氣泡數(shù)量和 平均大小進行匯總。

檢查不同添加率的影響

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

在確定助劑降低表面張力的效果時，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，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 對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 時間而減少，直至達到最后的氣泡數(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圖像，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，整個表面上都覆蓋有大小不等的氣泡。然 后，氣泡開始四處移動，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В材芸焖傧倭啃?成的小氣泡。
氣泡數(shù)量的下降趨勢是每種助劑潛在優(yōu)點的體現(xiàn)。圖7詳細(xì) 展示了隨著時間的延長，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)量會增加，這是由于涂膜中的溶解氣泡移動至表面所造成。然后，隨著 氣泡從表面逸離，可觀察到氣泡數(shù)量逐漸減少。

試驗程序為更詳細(xì)的研究提供可能

本研究的獨特設(shè)計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當(dāng) 前存在問題進行深入了解。

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，并了解它們在配方中的準(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理是一種突破性研 究。需要進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)先進涂料技術(shù)中心正在進行的研究重點為：干 燥或固化期間涂料中氣泡的運動，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)確對比。

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

致謝

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

參考文獻
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