Что такое распространенные пеногасители? Типы, правила выбора и исправление дефектов

Прошлой весной линия по нанесению рулонного покрытия перешла на новую акриловую грунтовку на водной основе. В течение двух смен аппликационные валики покрывали видимое пенопластовое покрытие, на затвердевшей пленке появились точечные отверстия, и партия была забракована. Разработчик рецептуры дозировал 0,10% стандартного диметилсиликонового пеногасителя, того же продукта, который безупречно работал в старой системе на основе растворителя. Ничто в пакете контроля пенообразования само по себе не было неправильным. Он просто не соответствовал содержанию поверхностно-активных веществ, pH и профилю сдвига нового состава.

Если вы спрашиваете, что на самом деле представляют собой распространенные пеногасители, вот сначала краткий ответ, а подробности ниже.

Почти каждый пеногаситель, представленный на рынке, принадлежит к одному из четырех химических семейств:

• Дисперсии минеральных масел и восков
• Силиконовые пеногасители, включая диметилсиликон и органомодифицированные варианты.
• Полимерные пеногасители, не содержащие силикона, обычно блок-сополимеры ЭО/ПО, акриловые полимеры и сложные полиэфиры.
• Специальные и смешанные продукты, созданные для одной системы, например, для УФ-излучения, продуктов с высоким уровнем pH или продуктов, контактирующих с пищевыми продуктами.

Выбор между ними – это не вопрос выбора самого сильного пеногасителя. Правильный пеногаситель должен быть достаточно несовместимым, чтобы разрушать ламели пенопласта, и достаточно совместимым, чтобы пленка не имела дефектов. Все, что ниже, посвящено поиску этого узкого окна.

Как рвется пенопластовая пленка и что это значит для выбора пеногасителя

Пена – это не просто пузырьки. Это сеть тонких пленок жидкости, стабилизированных молекулами поверхностно-активных веществ, расположенными на границе раздела воздух-жидкость. Три силы поддерживают жизнь этих фильмов:

1. Поверхностная эластичность. Когда пленка растягивается, поверхностно-активное вещество мигрирует на вновь созданную поверхность и восстанавливает локальное поверхностное натяжение. Это эффект Марангони, и он является сильнейшим стабилизатором в большинстве покрытий, красок и клеевых систем.
2. Поверхностная вязкость. Водорастворимые полимеры, загустители и модификаторы ассоциативной реологии повышают вязкость поверхности пленки и замедляют дренаж.
3. Электростатическое и стерическое отталкивание между двумя границами раздела пленки, особенно при высоком pH или в присутствии мелких частиц пигмента.

Пеногаситель работает только в том случае, если он мешает одному или нескольким из этих механизмов. На практике рабочий пеногаситель последовательно выполняет четыре действия: входит в пленку пены, растекается по границе раздела, локально дестабилизирует слой ПАВ и истощает пленку до ее разрыва.

Для проникновения и распространения поверхностное натяжение пеногасителя должно быть ниже, чем поверхностное натяжение пенообразующей жидкости. Именно поэтому практически каждый пеногаситель содержит компонент с низкой поверхностной энергией: силиконовое масло, модифицированный силоксан или частицу гидрофобного воска. Масло-носитель, эмульгатор и гидрофобный наполнитель вместе определяют, растекается ли продукт или просто тонет.

О втором условии труднее говорить, но оно более важно на практике: пеногаситель должен быть нерастворим в среде. Если он растворяется, он перестает быть пеногасителем и становится другим поверхностно-активным веществом. Но за неразрешимость приходится платить. Слишком несовместимый пеногаситель не будет диспергироваться достаточно мелко, и те же самые капли, которые разрывают пену на поверхности, также создают кратеры, «рыбьи глаза» и отверстия в сухой пленке. Каждое практическое решение о выборе основывается на этих качелях.

Минеральные масла и восковые пеногасители

Пеногасители на минеральном масле относятся к старейшему семейству и по объему до сих пор наиболее широко используются. Типичный продукт представляет собой дисперсию гидрофобных частиц — коллоидного кремнезема, амидов жирных кислот или модифицированных восков — в парафиновом или нафтеновом масляном носителе, стабилизированных одним или двумя неионогенными эмульгаторами. В системах на водной основе они поступают либо в виде эмульсии «масло в воде», либо в виде 100% активного масла, которое разработчик рецептуры эмульгирует на месте.

Где типы минеральных масел работают хорошо

• Щелочные системы на водной основе: архитектурные краски, покрытия для бумаги и составы для текстиля, где pH превышает 8.
• Эмульсионная полимеризация и обработка латекса, при которых пена образуется непрерывно, а не порциями.
• Процессы, в которых загрязнение силиконом строго запрещено, например, некоторые линии по ремонту автомобилей и покрытия для электроники.
• Экономичные составы, в которых достаточно пеногасителя широкого спектра действия в концентрации от 0,2% до 0,5%.

Где они терпят неудачу

Пеногасители минерального масла слабы в глянцевых и прозрачных системах. Капли масла имеют немного другой показатель преломления, чем связующее, и при более высоких дозах они проявляются в виде помутнения или измеримой потери блеска. Они также имеют тенденцию терять эффективность при высоких сдвиговых нагрузках, поскольку механическое воздействие реэмульгирует капли масла, и они теряют способность растекаться по поверхности пены.

Стабильность при хранении является еще одним фактором. При повышенной температуре масло может отделиться и всплывать на поверхность, образуя видимую пленку на краске или отпечатанной краске. Если ваш процесс протекает при сильном перемешивании и требует быстрого останова, а не длительного подавления, то использование чистого минерального масла обычно не подходит для первого испытания.

Кремнийорганические пеногасители

Силиконовые пеногасители доминируют в индустрии покрытий и чернил по одной причине: они сочетают в себе самое низкое поверхностное натяжение с превосходной термической стабильностью. Полидиметилсилоксановая основная цепь имеет поверхностное натяжение от 20 до 21 мН/м, что значительно ниже воды (примерно 72 мН/м) и ниже большинства органических связующих и растворителей. Именно низкая поверхностная энергия и делает распространение столь эффективным, а сбивание столь быстрым.

Силикон, наполненный гидрофобными частицами

Тип «рабочей лошадки» состоит из диметилсиликонового носителя, наполненного гидрофобизированным коллоидным диоксидом кремния. Частицы кремнезема придают капле шероховатую гидрофобную поверхность, которая механически протыкает пластинки пенопласта — мостовой механизм, который гораздо более эффективен, чем простое растекание. Эти продукты обычно поставляются в виде 100% активной жидкости или в виде эмульсии с концентрацией от 10% до 30%, и их дозировка составляет от 0,05% до 0,3% от общей массы препарата.

Основной риск – дефект поверхности. Свободное силиконовое масло, которое не полностью диспергируется, может перемещаться далеко от точки добавления и образовывать кратеры, «апельсиновую корку» и проблемы с возможностью повторного покрытия. При нанесении верхнего слоя или в любой другой системе, допускающей нанесение второго слоя, с ненаполненным диметилсиликоном следует обращаться с осторожностью.

Силоксаны, модифицированные полиэфирами

Прививка полиэфирных цепей к силоксановой основной цепи существенно меняет поведение. Полиэфирные группы повышают совместимость с органическими связующими и водой, что улучшает качество дисперсии и снижает склонность к образованию поверхностных дефектов, но также снижает эффективность исходного пеногасителя. Поэтому силоксаны, модифицированные простыми эфирами, являются предпочтительным вариантом, когда система чувствительна, когда риск дефекта высок и когда допустим умеренный контроль пенообразования.

Эти продукты также по-разному ведут себя в зависимости от температуры. Силоксаны, модифицированные полиэфиром, имеют температуру помутнения; выше этого уровня они становятся нерастворимыми и внезапно становятся более эффективными в качестве пеногасителей, но они также могут выпадать из раствора и вызывать помутнение прозрачного покрытия. Если температура вашего приложения варьируется более чем на 15 градусов по всей линии, проверьте оба конца диапазона.

Для систем на водной основе силиконовый пеногаситель на основе эмульсии часто является наиболее практичной отправной точкой, поскольку он диспергируется при простом перемешивании и не требует предварительной смеси с высоким сдвиговым усилием.

Полимерные пеногасители без силикона

Пеногасители, не содержащие силикона, существуют потому, что большая часть рынка вообще не переносит силикон. OEM-производители автомобилей и линии по окраске, некоторые покрытия для электроники и дисплеев, лаки для надпечатки, которые должны оставаться пригодными для повторного покрытия, а также ряд промышленных клеев прямо запрещают загрязнение силоксанами. В этом семействе также полностью отсутствует механизм дефектов, вызванный поверхностным натяжением.

Химия более разнообразна, чем ожидает большинство людей. Общие строительные блоки включают в себя:

• Блок-сополимеры ЭО/ПО, которые действуют как смачиватели или пеногасители в зависимости от соотношения и концевого покрытия.
• Акриловые полимеры с контролируемой полярностью, часто используемые в водорастворимых чернилах и в УФ-системах.
• Сложные полиэфиры, алкоксилаты жирных спиртов и модифицированные натуральные масла.
• Гидрофобный диоксид кремния, диспергированный в органическом носителе без присутствия силикона.

Скорость опрокидывания обычно ниже, чем у изделия с наполнением из силикона. Что хорошо для типов, не содержащих силикона, так это долговременное подавление и качество пленки. Поскольку их формула ближе к пределу совместимости, они диспергируются более тонко, дольше остаются во взвешенном состоянии и практически не оставляют следов на поверхности в рекомендуемой дозе.

Дозировка обычно выше, чем у силиконов — обычно от 0,2% до 1,0% от общего состава, а в некоторых системах чернил эта концентрация достигает 1,5%. Всегда подтверждайте верхний предел понижением пены, поскольку выше определенной концентрации эти продукты начинают действовать как смачиватели и могут стабилизировать пену, а не разрушать ее. Эта точка инверсии реальна, и это одна из наиболее распространенных ошибок в формулировках, которые мы видим на скамейке запасных.

Выбор по системе: сравнительная таблица

В таблице ниже приведены химические типы, которые обычно лучше всего работают в каждой системе, а также типичные диапазоны доз и дефекты, на которые следует обратить внимание. Рассматривайте диапазоны доз как отправную точку для лестничного исследования, а не как фиксированные рекомендации.

Технические параметры, которые на самом деле решают результат

Два пеногасителя могут иметь один и тот же химический состав на этикетке и вести себя совершенно по-разному в вашем рецептуре. Это параметры, которые стоит запросить у поставщика, прежде чем приступить к испытанию.

Отдельного упоминания заслуживает еще один параметр: совместимость. Простой метод проверки совместимости заключается в добавлении пеногасителя в удвоенной дозе к небольшому образцу, нанесении его на стекло и осмотре под лучами света после полного отверждения. Если вы видите мутность, пятна или кратеры при двойной дозе, вы увидите их и при нормальной дозе, на другом субстрате или другой толщине пленки.

Пеногашение и пеноподавление — две разные работы

Разработчики часто используют эти слова как синонимы, но тесты измеряют разные вещи, и профили продуктов различаются.

Удаление пены, иногда называемое нокдауном, заключается в разрушении уже существующей пены. На него влияют коэффициент растекания и скорость, с которой капля пеногасителя достигает поверхности пены. Силиконовые изделия с гидрофобным наполнителем здесь наиболее эффективны.

Подавление или пеногасление в строгом смысле этого слова заключается в первую очередь в предотвращении образования пены. Это зависит от того, как долго актив будет оставаться рассредоточенным в массе и насколько хорошо он мигрирует на новые интерфейсы. Полимеры, не содержащие силикона, и мелкодисперсные эмульсии, как правило, лучше справляются с этой ролью.

Приведенный выше рейтинг сохраняется в системе чистой модели. Ситуация меняется, когда вы добавляете пеногаситель в настоящую краску или чернила, поскольку связующие вещества, пигменты и модификаторы реологии конкурируют за те же границы раздела, которые должен занимать пеногаситель. Вот почему модельный тест подскажет вам, какой химический состав следует включить в короткий список, а прикладной тест подскажет, какую оценку оставить.

Испытание пены: от стакана до производственного резервуара

Контроль пенообразования — одно из немногих свойств в лаборатории по нанесению покрытий, которое почти всегда недооценивают в стендовых масштабах. Стакан емкостью 200 мл при 800 об/мин обеспечивает гораздо меньший захват воздуха, чем резервуар емкостью 2000 л с диспергатором с высоким сдвиговым усилием, работающим с той же скоростью наконечника. Спланируйте испытательную лестницу соответствующим образом.

Шаг 1. Проверка совместимости

Добавьте кандидата с ставкой 0,1%, 0,3% и 1,0% на стадию разочарования. Литые пленки на стекло и на предполагаемую подложку. Через 24 часа проверьте на наличие кратеров, «рыбьих глаз», помутнения и потери блеска или адгезии.

Шаг 2: Встряхните и перемешайте тесты

Градуированное испытание на встряхивание цилиндра позволяет быстро оценить скорость сбивания. Тест с высокоскоростным перемешиванием при скорости от 2000 до 3000 об/мин в течение 5 минут дает оценку подавления, поскольку он продолжает генерировать новый интерфейс на протяжении всего теста.

Шаг 3: Моделирование приложения

Спуски, нанесение валиком и распыление выявляют дефекты, которые никогда не выявляются при испытаниях в стаканах. Нанесение распылением, в частности, создает тонкую пленку, в которой нестабильная капля пеногасителя каждый раз образует точечное отверстие.

Шаг 4: Производственные испытания с контрольной пробой

Отберите пробу из резервуара сразу после слива и повторно через 24 часа хранения. Высоту пены и качество пленки следует измерять в обоих случаях. Продукт, который работает в нулевой день, но теряет дисперсию в первый день, потерпит неудачу в линии клиента, а не в вашей.

Храните пробную партию в тех же условиях хранения, что и производственную. Противопенные эмульсии представляют собой физические дисперсии, и замораживание, длительное хранение при температуре выше 40 градусов C или повторяющиеся циклы перекачивания могут дестабилизировать их.

Распространенные пеногасители для конкретных применений

Водоразбавляемые промышленные покрытия

Эти системы несут наибольшую нагрузку поверхностно-активными веществами среди всех категорий покрытий, поскольку смачивающие агенты, диспергаторы, подложки и ассоциативные загустители способствуют образованию пены. Двухкомпонентный подход часто работает лучше всего: наполненный силикон для разрушения во время производства плюс небольшое количество не содержащего силикона полимера для подавления во время нанесения.

DH-2277S Пеногаситель на водной основе Несиликоновый длинноцепочечный алифатический углеводородный пеногаситель типа эмульсии растительного масла; Посмотреть продукт →

Печатные краски

Чернила на водной основе вспениваются во время перекачивания, на этапе нанесения краски и внутри емкости для чернил. Загрязнение силиконом вызывает дефекты печати, которые трудно обнаружить, поэтому большинство типографий стандартизируют химию, не содержащую силикона. Контроль дозы имеет большее значение, чем в покрытиях, поскольку тот же продукт, который убивает пену, может также влиять на поверхностное натяжение и, следовательно, на растискивание, образование пятен и адгезию к основе.

Клеи и герметики

Пена в клее – это не только проблема обработки. Захваченный воздух уменьшает эффективную площадь контакта на линии склеивания, что проявляется в уменьшении прочности на отслаивание и в виде пустот в затвердевшем клее. Обычно здесь выбирают минеральное масло и сополимеры ЭО/ПО, поскольку они вызывают наименьшее влияние на липкость и конечные механические свойства.

Системы на основе растворителей

Пена менее стойкая в покрытиях на основе растворителей, поскольку органические растворители имеют более низкое поверхностное натяжение и быстрее стекают. Если пена все же возникает, это обычно вызвано высоким содержанием пигмента и диспергирующей системой. Обычно достаточно низкой дозы силикона с наполнением, не содержащего растворителя, обычно от 0,05% до 0,2%.

УФ-системы и системы с высоким содержанием твердых частиц

В этих составах нет воды или растворителя, которые необходимо слить, поэтому образующаяся пена остается. Предпочтительны акриловые и полиэфирные покрытия, не содержащие силикона, поскольку силиконы могут мешать УФ-отверждению поверхности. Распространенным симптомом является слегка липкая или мутная пленка после полного отверждения, которую легко ошибочно принять за проблему с фотоинициатором.

Если проблема с пеной связана с увлажнением пигмента, а не со связующим, то решение может быть связано с этапом диспергирования. Наш гид по как правильно выбрать марку диспергатора для покрытий охватывает логику выбора для этой части формулировки.

Силиконовая химия также напрямую влияет на контроль поверхности. Если вы используете систему, содержащую силикон, и видите проблемы с потоком или скольжением наряду с проблемами пены, обратитесь к сопутствующей статье акрилатные выравниватели для промышленных покрытий объясняет, как следует сбалансировать два пакета присадок.

Устранение дефектов, связанных с пеной

При появлении дефекта пленки пеногаситель часто оказывается первым подозреваемым, а иногда и неправильным. В этой таблице видимый симптом сопоставлен с вероятной причиной и корректирующим действием.

Примечания по закупкам, хранению и обращению

Пеногасители обычно представляют собой небольшую часть рецептуры, поэтому легко упустить из виду практические детали, от которых зависит, будут ли они работать в производстве.

• Пункт добавления. Силиконовые пеногасители работают лучше всего, когда их добавляют на стадии разжижения, после диспергирования пигмента, когда сдвиг является умеренным. Добавление их во время измельчения может разрушить эмульсию и захоронить активные вещества внутри агломератов пигмента.
• Разбавление. Многие эмульсионные продукты можно предварительно разбавить водой для улучшения распределения, но разбавление значительно сокращает срок хранения. Разбавляйте только то, что вы будете использовать в течение смены.
• Хранилище. Храните контейнеры при температуре от 5 до 35 градусов C. Замораживание разрушает большинство эмульсий навсегда, и никакое перемешивание не вернет их обратно.
• Смешивание. Перед использованием медленно покатайте барабан. Оседание гидрофобного наполнителя является нормальным явлением и не является дефектом качества.
• Документация. Запросите лист технических данных, паспорт безопасности и сертификат анализа для конкретной партии. На экспортных рынках запросите нормативное заявление, охватывающее страну назначения, до начала испытания, а не после первого заказа.

Одна покупательская привычка, которая экономит много времени: квалифицируйте два продукта из разных химических групп одновременно. Если изменение нормативных требований или нехватка сырья устраняют одно, второе уже одобрено, и вы не начинаете работу заново.

Часто задаваемые вопросы

Какова типичная дозировка пеногасителя?

Большинство силиконовых пеногасителей используются в концентрации от 0,05% до 0,3% от общего количества рецептуры. Содержание минерального масла и полимеров, не содержащих силикона, обычно составляет от 0,2% до 1,0%. Начните с нижнего предела диапазона, проложите лестницу и убедитесь, что верхний конец лестницы не вызывает дефектов поверхности.

Могу ли я добавлять пеногаситель в конце производства, а не во время отпуска?

Последующее добавление возможно и иногда является единственным практичным вариантом для резервуара, который уже вспенился. Лучше работает с эмульсионными продуктами и при умеренном перемешивании. Компромисс заключается в распределении: продукт, добавленный позже, имеет меньше времени и меньшую силу сдвига для диспергирования, поэтому он может контролировать пену в резервуаре, но все равно не получится во время нанесения.

Почему пена ухудшается после добавления пеногасителя?

Есть две распространенные причины. Первый – это передозировка: выше определенной концентрации некоторые поверхностно-активные вещества действуют как стабилизаторы пены, а не как пеноразрушители. Второй – плохая эмульгация, когда плохо диспергированный пеногаситель образует крупные капли, которые создают дефекты и одновременно не достигают поверхности пены. Обе проблемы решаются уменьшением дозы и улучшением смешивания.

Как выбрать между силиконовым пеногасителем и пеногасителем без силикона?

Выбирайте силикон, когда вам нужен самый быстрый нокдаун и самая низкая доза, а также когда система терпит силикон. Выбирайте без силикона, если пленка прозрачная или блестящая, когда на покрытие приходится наносить второй слой, когда последующий этап процесса чувствителен к силоксанам или когда при конечном нанесении силикон запрещен по соображениям соответствия.

Повлияет ли пеногаситель на адгезию или возможность нанесения следующего слоя?

Это возможно, и обычно в этом виноваты продукты, содержащие силикон. Свободное силиконовое масло мигрирует на поверхность во время образования пленки и снижает поверхностную энергию, что делает следующий слой не намокающим. Если система нуждается в возможности повторного покрытия, либо уменьшите дозу силикона, либо протестируйте альтернативу, не содержащую силикона, с тем же уровнем эффективности.

Как долго можно хранить пеногаситель?

Типичный срок хранения составляет 12 месяцев с даты изготовления в неоткрытой таре при температуре от 5 до 35 градусов C. Эмульсии могут слегка осаждаться, что является нормальным явлением. Разделение на два прозрачных слоя или сильный запах указывают на то, что продукт нельзя использовать без свежего теста на совместимость.

Могу ли я смешать два разных пеногасителя?

Да, и смешивание часто является лучшим ответом, когда один продукт не может одновременно обеспечить нокдаун и подавление. Смешайте наполненный силикон для быстрого разрушения с полимером, не содержащим силикона, для длительного подавления в соотношении, определенном вашим собственным исследованием лестницы. Не смешивайте две эмульсии с противоположным ионным зарядом без предварительного тестирования — смесь может разрушиться в барабане.

Как узнать, совместим ли пеногаситель, до полного испытания?

Проведите трехточечный скрининг: добавьте продукт в половине предполагаемой дозы, в запланированной дозе и в удвоенной дозе в отдельные образцы, затем нанесите пленки на стекло. После полного отверждения осмотрите при свете света. Если образец двойной дозы чистый, продукт имеет достаточный запас совместимости для нормального производственного изменения.