Что такое натуральный пеногаситель? Практическое руководство для производителей покрытий и чернил

Натуральный пеногаситель контролирует пенообразование с помощью активных химических веществ, изготовленных из минеральных, растительных или натуральных источников воска, а не из силиконовых полимеров. Это краткий ответ. В покрытиях, чернилах и клеях разработчики рецептур обращаются к этому классу добавок, контролирующих пенообразование, когда силиконовый пеногаситель может вызвать образование кратеров, «рыбий глаз», потерю межслойной адгезии или дефекты повторного покрытия, которые остальная часть состава не может поглотить.

Сам термин вызывает путаницу. В некоторых технических паспортах слово «натуральный» описывает происхождение углеродной цепи. В других случаях это просто сокращение от «без силикона». Эти два продукта не являются взаимозаменяемыми, и этот разрыв имеет значение, когда вы подаете претензию в регулирующие органы или когда через три месяца производственной кампании вы обнаруживаете, что одобренный вами сорт не ведет себя так, как было обещано в брошюре. В этом руководстве химия отделена от маркетинга, а также указаны цифры, допуски и методы испытаний, необходимые для выбора правильного продукта.

Что на самом деле представляет собой натуральный пеногаситель

Пеногаситель – поверхностно-активная добавка, дестабилизирующая существующую пластинку пенопласта. В первую очередь пеногаситель предотвращает образование пены. Большинство коммерческих продуктов в той или иной степени обладают и тем, и другим, поэтому поставщики часто используют эти два слова как синонимы, хотя лежащие в их основе механизмы различаются. Натуральный пеногаситель сохраняет ту же функциональную роль, но заменяет силиконовую основу органическими носителями и органическими активными твердыми веществами.

Три свойства определяют, будет ли пеногаситель работать: он должен быть нерастворим в пенящейся среде, он должен иметь более низкое поверхностное натяжение, чем эта среда, и он должен быть способен проникать в пленку пены и распространяться по ней. Силиконовая химия выигрывает по второму пункту с большим отрывом, и именно поэтому силикон вызывает дефекты поверхности. Натуральный химический состав, не содержащий силикона, по поверхностному натяжению ближе к покрытию, поэтому он менее агрессивен на границе раздела с воздухом и с гораздо меньшей вероятностью оставит после себя кратер.

То, что вы на самом деле покупаете, редко представляет собой одну молекулу. Готовый природный пеногаситель представляет собой систему:

• Активное твердое вещество или активное масло – компонент, разрывающий ламель, обычно от 20 до 100 процентов формулы в зависимости от типа.
• Перевозчик – минеральное масло, растительное масло, вода или гликоль, контролирующий вязкость и совместимость дозировки.
• Эмульгатор или смачивающее поверхностно-активное вещество – необходим для систем на водной основе, чтобы капли рассеивались, а не плавали.
• Стабилизатор или загуститель – предотвращает расслоение эмульсии при хранении и циклическом замораживании-оттаивании.

На последнем пункте стоит остановиться. Продукт, продаваемый как полностью натуральный, обычно все равно содержит синтетический эмульгатор, поскольку растительное масло не образует самопроизвольно устойчивую эмульсию в воде. Если спецификация требует, чтобы содержание углерода биологического происхождения превышало пороговое значение, запрашивайте измеренный процент биологического происхождения, а не предполагайте его из названия продукта.

Основные химические группы, лежащие в основе натуральных и не содержащих силикона пеногасителей

Шесть химических групп охватывают почти все, что продается на рынке покрытий, чернил и клеев под этикеткой «натуральный» или «без силикона». Каждый из них ведет себя по-разному при сдвиге, температуре и pH.

Минеральное масло и углеводородное масло

Смеси минеральных масел с гидрофобными частицами, такими как диоксид кремния или металлическое мыло, являются отличным средством контроля пенообразования без использования силикона. Они недороги, термически стабильны примерно до 120 градусов по Цельсию в большинстве составов и практически нечувствительны к pH. Их слабость заключается в том, что они могут привести к снижению глянца глянцевых прозрачных покрытий и препятствовать межслойной адгезии в случае передозировки.

Растительные масла и модифицированные триглицериды

Основу биоразлагаемых сортов составляют касторовое, соевое, рапсовое и подсолнечное масла. Касторовое масло является наиболее распространенным, поскольку его гидроксильная функциональность допускает химическую модификацию, что улучшает растекаемость. Эти продукты подходят для архитектурных покрытий и упаковочных красок, где заявления о биоразлагаемости имеют коммерческий вес. Окислительное старение является компромиссом: ненасыщенные масла со временем могут пожелтеть, что исключает возможность использования их в белых и светлых верхних покрытиях.

Эфиры жирных кислот и жирные спирты

Стеариловый спирт, олеиловый спирт и сложные эфиры, такие как моноолеат глицерина, эффективны в водных системах в низких дозах. Они, как правило, более совместимы, чем минеральное масло, поэтому вызывают меньше дефектов поверхности, но также медленнее пенятся. Обычной практикой является сочетание быстрого жирного спирта с более медленной смесью минеральных масел, чтобы обеспечить как нокдаун, так и стойкость.

Пеногасители на основе воска

Микронизированный полиэтилен и амидные воски действуют частично как пеногасители и частично как модификаторы поверхности. Поскольку они твердые при температуре применения, они создают точку механического разрыва ламели. Марки на основе воска популярны в чернилах, отверждаемых УФ-излучением, а также в покрытиях, где также требуется контроль скольжения и матирования. Распределение частиц по размерам становится решающим: частицы слишком большого размера проявляются на отвержденной пленке в виде потертостей.

Гидрофобный диоксид кремния и обработанные наполнители

В качестве фазы частиц в смесях минеральных масел часто используется коллоидный или осажденный диоксид кремния, гидрофобный при обработке без силикона. Кремнезем обеспечивает точку входа в ламель; масло несет его туда. Контроль соотношения имеет большое значение, и изменение марки диоксида кремния может значительно изменить производительность.

Химия на основе полиэфира, не содержащая силикона.

Не каждый пеногаситель, не содержащий силикона, является натуральным. Блок-сополимеры этиленоксида и пропиленоксида являются синтетическими, но они не содержат кремния, поэтому их коммерчески группируют с продуктами, не содержащими силикона. Они хорошо работают в водных системах и редко дестабилизируют поверхность пленки. Покупатели, которым нужны как продукты без силикона, так и продукты на биологической основе, должны подтвердить оба атрибута отдельно.

Выбор между этими семействами – это рецептурное, а не маркетинговое решение. Марки, не содержащие силикона, такие как Пеногаситель DH-2020 Отличные эффекты подавления пенообразования и деаэрации, особенно в системах с высоким содержанием твердых частиц и без растворителей. Просмотреть продукт → иллюстрируют, как активная фаза углеводород-нефть может быть настроена для систем на основе растворителей без введения кремния в пленку.

Как работает механизм пеногасителя шаг за шагом

Понимание четырехэтапного механизма ускоряет устранение неполадок, поскольку разные сбои указывают на разные этапы.

1. Вход. Капля пеногасителя должна проникнуть в поверхность ламели пенопласта. Слишком большие капли не могут попасть внутрь; слишком маленькие капли могут вообще никогда не достичь границы раздела. Размер частиц эмульсии является контролирующей переменной.
2. Распространение. Попав внутрь пленки, активное вещество распространяется по поверхности ламели под действием градиента поверхностного натяжения. Слишком высокий коэффициент распространения приводит к агрессивному поведению, склонному к дефектам. Коэффициент, близкий к нулю, практически не дает пенообразования.
3. Пленочный дренаж. Распространение локально истончает пластинку и выталкивает жидкость от места входа, образуя слабое место.
4. Разрыв. Слабое место разрывается, соседние пузырьки сливаются, и выделившийся газ выходит наружу. На практике вы увидите разрушение пены в течение нескольких секунд или минут.

Два вторичных механизма также имеют значение. Мостико-обезвоживание описывает каплю, которая проникает в обе стенки ламели, образуя мост, который стягивает стенки вместе. Сжатие-растяжение происходит, когда капля деформирует пленку, не разрывая ее сразу, что приводит к более медленному, но более стойкому разрушению пены.

Практическим следствием является то, что натуральный пеногаситель обычно требует немного более высокой дозы, чем силиконовый продукт, чтобы добиться такого же немедленного подавления пены, но он часто дольше удерживает подавление пенообразования во время рециркуляции, поскольку не так быстро истощается с поверхности. Если ваша проблема заключается в стойком образовании микропены в контуре рециркуляции, а не в выбросе поверхностной пены во время смешивания, стойкость имеет большее значение, чем скорость сбивания.

Сравнение натуральных, силиконовых и полиэфирных пеногасителей

Каждое решение удалить силикон — это сделка. В таблице ниже показано, где обычно происходит сделка. Считайте значения типичными диапазонами, а не фиксированными спецификациями; Таблицы данных поставщиков значительно различаются, и ваша собственная система изменит цифры.

Рассматривайте таблицу как карту рисков, а не как рейтинг. Силикон остается правильным выбором для высокотемпературных рулонных покрытий, некоторых промышленных систем обжига и применений, где кратеры не вызывают беспокойства, поскольку поверхность впоследствии шлифуется. Натуральные пленки и пленки, не содержащие силикона, выигрывают везде, где поверхность пленки является продуктом: глянцевые верхние покрытия, прозрачные покрытия для авторемонтной отделки, упаковочная графика, оптические пленки и все, что будет подвергаться надпечатке или ламинированию.

Когда следует использовать натуральный пеногаситель

Есть шесть ситуаций, когда натуральный пеногаситель или пеногаситель, не содержащий силикона, является правильным выбором. Если к вашему проекту подходят два или более, начните проверку с них, а не с силикона.

1. Блестящие и прозрачные системы

В прозрачном лаке любая несовместимость становится видна. Силиконовые поверхностно-активные вещества концентрируются на границе раздела с воздухом и могут создавать помутнение или незначительное снижение блеска даже при отсутствии видимых кратеров. Пеногасители на масляной и восковой основе располагаются дальше от поверхности и обычно более надежно сохраняют глянец при 20 градусах.

2. Многослойные системы, требующие повторного покрытия.

Ремонт автомобилей, промышленное обслуживание и отделка древесины — все они предполагают нанесение второго слоя поверх затвердевшего первого слоя. Остатки силикона на границе раздела являются хорошо документированной причиной нарушения межслойной адгезии, причем нарушение часто проявляется только после погружения в воду или испытания на штриховку. Удаление силикона из каждого слоя устраняет невидимую переменную.

3. Водные составы с чувствительными основаниями.

Покрытия на водной основе, нанесенные на пластмассы или поверх грунтовок с высокой пористостью, плохо реагируют на сильное снижение поверхностного натяжения. Не содержащие силикона водоразбавляемые марки, созданные на основе жирного спирта или минерального масла, сохраняют динамическое поверхностное натяжение ближе к окну смачивания подложки, что уменьшает расползание и образование пор.

Водоразбавляемая марка, разработанная именно для этого баланса, DH-2277S Пеногаситель на водной основе Несиликоновый длинноцепочечный алифатический углеводородный пеногаситель типа эмульсии растительного масла; Просмотреть продукт → , который обычно дозируется на стадии измельчения для достижения максимального эффекта.

4. Краски, предназначенные для надпечатки или ламинирования.

Флексографские и гравюрные краски часто наносятся надпечаткой, ламинируются или покрываются лаком. Миграция силикона через высохшую красочную пленку происходит медленно, но реально и проявляется в виде расслоения готовой упаковки. Пеногасители, не содержащие силикона, на основе жирных эфиров или восков полностью устраняют этот риск.

5. Клеи, для которых измеряется прочность сцепления.

В чувствительных к давлению и конструкционных клеях загрязнение поверхности напрямую снижает значения отслаивания и сдвига. Силиконовый пеногаситель, который мигрирует к линии склеивания, может значительно снизить прочность на отслаивание. В таких системах обычно предпочитаются натуральные пеногасители, особенно когда клей представляет собой акриловый раствор на водной основе.

6. Рынки с явными силиконовыми ограничениями

Некоторые спецификации электроники, медицинского оборудования и продуктов, контактирующих с пищевыми продуктами, ограничивают использование силикона политикой, а не требованиями к производительности. В таких случаях выбор делается за вас, и инженерной задачей становится поиск марки, не содержащей силикона и соответствующей целевым характеристикам, а не споры о приемлемости силикона.

Ограничения и компромиссы, которые вы должны учитывать

Натуральные пеногасители не являются универсальной заменой. Четыре ограничения возникают неоднократно в рабочей среде, и для каждого из них есть обходной путь.

Картина последовательна: природная химия жертвует максимальной производительностью ради совместимости и нормативного запаса. Если поверхность — это продукт, это хорошая сделка. Там, где пленка скрыта еще тремя слоями, свое место по-прежнему занимает силикон.

Дозировка, точка добавления и контроль процесса

Большинство сбоев пеногасителей в производстве связаны с ошибками дозировки, а не сбоями химического состава. В таблице ниже показаны типичные активные дозировки в зависимости от типа системы для масел и восков, не содержащих силикона.

Рисунок 1. Типичные диапазоны активных доз пеногасителей на основе масел и воска, не содержащих силикона, выраженные в процентах от общей массы состава. Всегда сверяйте данные с данными поставщика.

Куда добавить

Точка добавления меняет результат больше, чем дозировка. Есть три признанные позиции.

• Во время шлифовки. Добавление на этапе диспергирования пигмента обеспечивает максимальный контакт пеногасителя с вновь созданными границами раздела. Это наиболее эффективная одиночная позиция, которую чаще всего пропускают.
• Во время упадка. Вторая, меньшая добавка при разжижении улавливает пену, образующуюся из-за связующего и реологической добавки. Типичное разделение составляет 60 процентов при измельчении и 40 процентов при разочаровании.
• Постдобавление. Добавление после того, как партия завершена, является ремонтным действием, а не дизайнерским выбором. Он помогает решить немедленные проблемы с пеной, но быстро расходует пеногаситель и дает плохую стойкость.

Как добавить

Предварительно разбавьте пеногаситель в фазе носителя перед загрузкой его в партию. Неразбавленное добавление в поток с высоким содержанием твердых частиц может привести к локальной чрезмерной концентрации, что является прямой причиной кратеров и «рыбий глаз». Разведение от 1:5 до 1:10 в воде или растворителе, добавляемое медленно при умеренном перемешивании, дает гораздо более равномерное распределение. Избегайте добавления в те области миксера, где сдвиг является наибольшим; кончик крыльчатки — худшая возможная точка впрыска.

Для систем на основе растворителей: Пеногаситель DH-2022A Превосходное пеноподавление и деаэрационный эффект; предотвращает расслаивание покрытия; отличный антилопающий (закипающий) эффект. Просмотреть продукт → — часто используемый вариант, когда жидкий носитель средней вязкости подходит для прямого добавления без предварительного разбавления.

Как оценивать и отбирать кандидатов

На скрининге большинство проектов теряют время. Структурированная последовательность действий с определенными критериями «годен/не годен» на каждом этапе приводит к принятию решения за две недели, а не за два месяца.

1. Бумажный экран. Короткий список по химическому составу, типу носителя, подтверждению отсутствия силикона, содержанию ЛОС и процентному содержанию углерода биологического происхождения, если необходимо. Ожидайте сокращения двадцати кандидатов до пяти.
2. Тест встряхивания. 100 грамм разбавленного раствора, 200 миллилитров, в мерном цилиндре, встряхивают с фиксированной скоростью и амплитудой в течение одной минуты. Запишите высоту пены через ноль, одну, пять и тридцать минут. Это измеряет нокдаун и инерционность отдельно, чего нет в большинстве одночисловых спецификаций.
3. Тест рециркуляции. Прокачивайте смесь через замкнутый контур с помощью шестеренного насоса в течение тридцати минут и через определенные промежутки времени измеряйте высоту и плотность пены. Это ближайший лабораторный аналог производственной линии.
4. Снижение и лечение. Нанесите указанную толщину влажной пленки на предполагаемую основу, отвердите в производственных условиях и проверьте при косом освещении на наличие кратеров, «рыбьих глаз» и потертостей. Подсчитайте дефекты на квадратный дециметр, а не опишите их качественно.
5. Тест на пальто. Нанесите второй слой после указанного интервала высыхания и проведите тест на адгезию через штриховку, натянув ленту. Именно здесь обнаруживаются остатки силикона, и этот тест чаще всего пропускают.
6. Тест на старение. Выдержите готовую партию при температуре 40 градусов по Цельсию в течение четырех недель и повторите испытания на пенообразование и понижение давления. Пеногаситель, который работает в первый же день, но теряет активность после хранения, представляет собой производственную проблему, которая ждет своего часа.

Сохраняйте одинаковые условия тестирования для всех кандидатов. Изменение скорости перемешивания между образцами полностью делает сравнение недействительным, и это самая распространенная ошибка при отборе пеногасителей.

Это также помогает фильтровать пеногаситель вместе с диспергатором, поскольку обе добавки конкурируют за одни и те же границы раздела. Если после замены диспергатора на вашем пигментном концентрате появляется пена, то они почти наверняка взаимодействуют. В этом руководстве содержится полезное обсуждение этого взаимодействия. выбор подходящей марки диспергатора для покрытий .

Вопросы регулирования и устойчивого развития

Коммерческий аргумент в пользу натуральных пеногасителей усилился, поскольку теперь пересекаются три нормативных и рыночных давления.

• ЛОС-содержание. Пеногасители на масляной и восковой основе часто изготавливаются без органических растворителей, что удерживает покрытие в пределах содержания летучих органических соединений, не требуя изменения рецептуры в другом месте.
• Содержание углерода на биологической основе. Схемы сертификации и правила государственных закупок все чаще требуют измерения процентного содержания биоматериалов. Сорта на основе растительных масел могут продемонстрировать это из документации по сырью, тогда как химия силикона не может.
• Силиконовые ограничения в последующих процессах. Некоторые предприятия по сборке электроники и производству медицинского оборудования ограничивают использование силикона на производстве, и это ограничение распространяется вверх, на поставщиков покрытий и клеев.

Два утверждения заслуживают более пристального внимания. Полная биоразлагаемость не означает, что продукт будет биоразлагаться на свалке; это относится к условиям испытаний в соответствии с определенным стандартом, обычно в течение 28 дней. А содержание биологического происхождения измеряется по фракции углерода, а не по общей массе, поэтому показатель биологического содержания в 60 процентов относится к содержанию углерода, а не к 60 процентам веса барабана. Попросите сертификат, а не маркетинговое заявление.

Распространенные ошибки при формулировании

Эти семь ошибок объясняют большинство проблем с пеногасителями, о которых сообщалось во время масштабного расширения. Всех из них можно избежать с помощью документированной процедуры.

Часто задаваемые вопросы

Является ли натуральный пеногаситель таким же, как пеногаситель без силикона?

Не всегда. Отсутствие силикона означает, что продукт не содержит атомов кремния. Натуральный обычно означает, что активное вещество получено из растительного или минерального источника. Полиэфирный блок-сополимер не содержит силикона, но полностью синтетический. Если оба свойства имеют значение для вашей спецификации, подтвердите их отдельно у поставщика и запросите подтверждающую документацию, а не полагайтесь на название продукта.

Можно ли заменить силиконовый пеногаситель один в один на натуральный?

Редко в той же дозировке. Будьте готовы начать с дозы силикона, примерно в 1,5–2,5 раза превышающей дозировку, и постепенно снижайте ее до оптимальной. Возможно, также потребуется изменить точку добавления, особенно если силиконовый продукт был добавлен после добавления, а натуральный сорт лучше работает на стадии измельчения.

Почему мой натуральный пеногаситель перестает действовать после нескольких недель хранения?

Наиболее распространенными причинами являются разделение эмульсии, которое не устраняется перемешиванием, и истощение активного вещества на поверхности. Перед дозированием проверьте, требуется ли рециркуляция бочки, убедитесь, что температура хранения превышает 5 градусов Цельсия, и подтвердите рейтинг устойчивости к замораживанию-оттаиванию. Если проблема не устранена, возможно, пакет эмульгатора несовместим с поверхностно-активным веществом в составе.

Повлияет ли натуральный пеногаситель на блеск или прозрачность?

Минеральные масла могут немного уменьшить блеск при более высоких дозировках, поскольку диспергированные капли рассеивают свет. Сорта воска и жирного спирта обычно оказывают меньший эффект. Измеряйте блеск при максимально реалистичной дозировке во время скрининга и сравнивайте показания при 20 и 60 градусах отдельно, а не полагайтесь на одно число.

С какой дозировки начинать?

Для водных архитектурных покрытий начните с 0,15 процента активного вещества от общей массы. Для систем на основе растворителей — 0,25 процента. Для чернил, отверждаемых УФ-излучением, — 0,4 процента. Запустите лестницу дозировки с шагом 0,05 процента и остановитесь в точке, где высота пены больше не увеличивается, что обычно находится ниже точки, где начинаются дефекты поверхности.

Подходят ли натуральные пеногасители для высокотемпературной выпечки?

Только в пределах. Активные вещества на масляной основе обычно выдерживают температуру до 120 градусов по Цельсию. Помимо этого, потеря летучих веществ и термическое разложение снижают эффективность, а остатки могут вызвать пожелтение. При пиковых температурах металла выше 180 градусов Цельсия обычно лучшей отправной точкой является полиэфир без силикона с более высоким тепловым потолком.

Работают ли натуральные пеногасители в системах, отверждаемых УФ-излучением?

Да, и марки на основе воска особенно эффективны, поскольку твердые частицы обеспечивают точку механического разрыва. Обратите внимание, что УФ-системы образуют меньше пены, чем системы на водной основе, но более чувствительны к дефектам поверхности, поэтому точность дозировки важнее, чем скорость сбивания.

Как узнать, связана ли проблема с пеной или увлеченным воздухом?

Поверхностная пена разрушается через несколько минут после прекращения перемешивания. Захваченный воздух остается в жидкости и проявляется в виде более низких показаний плотности, более длительного времени восстановления вязкости или появления микропор в высушенной пленке. Измерение плотности до и после перемешивания с интервалом в тридцать минут является простейшей диагностикой. Если плотность меняется, проблема в увлеченном воздухе, и точку добавления обычно необходимо переместить на более раннем этапе процесса.

Можно ли сочетать натуральный пеногаситель с силиконовым?

В некоторых системах да, и комбинация может охватывать как быстрый нокдаун, так и длительное упорство. Однако они могут мешать работе пакетов эмульгаторов друг друга, поэтому комбинацию следует тестировать как пару, а не предполагать аддитивное поведение. Начните с соотношения натурального и силикона 70:30 и отрегулируйте его.

Какую документацию мне следует запросить перед утверждением оценки?

Попросите технический паспорт с указанием активного содержания и носителя, паспорт безопасности, декларацию об отсутствии силикона, сертификат о содержании углерода на биологической основе, если применимо, данные о стабильности при замораживании-оттаивании и сохраненный образец из пробной партии. Без сохраненного образца вы не сможете исследовать дефект, который проявляется несколько месяцев спустя.

Сначала укажите натуральный пеногаситель по химическому составу и производителю, а затем подтвердите окно дозировки в вашей собственной системе. Важную характеристику имеет не та, которая указана на этикетке, а та, которая измерена в ходе испытания на встряхивание, в цикле рециркуляции и испытаниях на адгезию с поперечной штриховкой на отвержденной пленке.

Прежде чем утвердить какой-либо сорт, последовательно выполните шесть этапов проверки, запишите номер партии и сохраните образец. Когда дефект обнаруживается шесть месяцев спустя, эта запись представляет собой разницу между двухдневным расследованием и двухмесячным.