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泡沫是指不溶性气体在外力作用下进入液体中,并被液体所隔离而形成液气界面的非均相体系。
具体对涂料来说,液体为液态涂料,外力则是涂料生产过程中的搅拌、输送或运输过程中的震晃、涂装过程中涂装作业的剪切力等。
当液体中发生的很多气泡浮在液体表面而不破裂时,它们就会互相连接在一起形成泡沫。这时气泡与气泡之间可以仅隔一层液体薄膜。
泡沫可以由液体膜与气体所构成,也可以由液体膜、固体粉末和气体所构成,前者称为二相泡沫,后者称为多相泡沫。
一个液体要产生泡沫必须要有起泡剂或泡沫稳定剂。表面活性剂(如分散剂)是很好的泡沫稳定剂或起泡剂。不易被流体润湿的固体粉末也可以用来增加泡沫的稳定性。例如,在水中加入质量小、粒径细的色素炭黑粉末,并强烈地振荡即可生成泡沫,这样得到的是固体、液体和空气的三相泡沫。
产生泡沫的过程是体系的自由能增大的过程,因为产生泡沫时液体与气体的接触使表面积增大,这样增加的表面积和液体的表面张力的乘积就是体系所增加的自由能。可见,液体表面张力越低,体系形成泡沫所需要的自由能越小,因而也就越容易产生泡沫。
在有些涂料(如合成树脂乳液涂料)中,除了乳液中过剩的乳化剂以外,还有润湿剂、分散剂、增稠剂等多种表面活性物质,这就增大了涂料的起泡性,同时也增大了泡沫的稳定性,特别是增稠剂或具表面活性的增稠剂,导致形成强韧的泡沫膜壁,使得气泡更加稳定,给消泡增加了难度。
离子型乳化剂的使用,还能使气泡的膜壁带电。这种同性电荷之间的电斥力排斥气泡不易聚集,更利于气泡的稳定,也给消泡增加了难度。此外,当气泡形成时,由于范德华引力的作用,表面活性剂分子中的亲水基和憎水基被气泡膜壁吸附,并在气液界面上规则地排列形成了弹性膜壁,也阻止了泡沫的消失。
泡沫体系不处于最低自由能状态,因而本身是一种不稳定体系,亦即泡沫本身是要破裂的。泡沫的破裂是自由能降低的过程,因而是一个自发发生的过程。
泡沫的破裂要经过三个过程,即气泡的再分布、膜壁的变薄和膜的破裂。
对一般稳定的泡沫体系,经过这三个过程达到自然消泡要经过很长的时间,故在涂料生产过程中要使用消泡剂消泡。
对于涂料来说消泡剂总是以微细粒子渗入到泡沫体系之中,在接触到泡沫后即捕获泡沫表面的憎水链端,再经过迅速铺展,并形成很薄的双膜层,然后进一步侵入到泡沫体系中。低表面张力的消泡剂总是带动一些液体流向高表面张力的泡沫体系中,促使膜壁逐渐变薄,最终导致气泡的破裂,见下图。
根据消泡机理,就要求消泡剂能在泡沫体系中产生明显的表面张力的不平衡,并且能破坏发泡体系的表面黏度和表面弹性。消泡剂要不溶于发泡介质中,但又能按一定的粒子大小均匀地分布于泡沫介质之中,产生持续的消泡能力。泡沫本身的亲水-亲油平衡值(HLB值)和表面张力要很低;当体系由于某种原因要起泡时,能阻止其形成;而对于已存在的泡沫体系又能迅速分散,减薄气泡壁的厚度,使气泡破裂。