Что такое пеногасители и почему без них не обойтись в производстве лакокрасочных материалов?

Лакокрасочный завод получил крупный заказ на водную промышленную эмаль и перенес рецептуру прямо с малого лабораторного диссольвера на высокоскоростной диссольвер в цеху. При диспергировании первой партии пена поднялась до края емкости, оператору пришлось снизить обороты, и время диспергирования затянулось; после фасовки уровень материала в ведрах продолжал опускаться, и выборочная проверка массы нетто не прошла. В конце стадии доводки цех добавил силиконовый пеногаситель, который оказался под рукой, пена осела, и продукция ушла в срок. Через два месяца пошли жалобы: напыленное покрытие было усеяно проколами и кратерами, чем дольше ведро пролежало на складе, тем сильнее материал пенился при нанесении валиком, и заказчик потребовал заменить всю партию. Пеногаситель был выбран неверного типа, введен не на той стадии, и после хранения его никто повторно не проверил.

Что такое пеногасители и почему без них не обойтись в производстве лакокрасочных материалов? Пеногаситель — добавка, которая разрушает пену и подавляет ее образование: она устраняет пузыри, появляющиеся в материале при производстве, фасовке и нанесении, и предотвращает проколы, кратеры и потерю блеска. Пеногаситель должен сохранять с системой разумную степень несовместимости, а его тип, стадию введения и дозировку нужно определять испытаниями.

На каждом этапе производства водных лакокрасочных материалов в них попадает воздух. Пена — самая распространенная и при этом самая недооцененная проблема производства ЛКМ. Воронка, которую закручивает фреза при высокоскоростном диспергировании, турбулентность и удары при перекачке и фасовке, валик, кисть и краскораспылитель при нанесении — все это вносит воздух в материал; при смачивании пигментов и наполнителей вытесняется и воздух из промежутков между частицами, образуя массу мелких пузырьков. Поверхностно-активные вещества делают пузыри устойчивыми. Водные ЛКМ содержат эмульгаторы, смачивающе-диспергирующие добавки, загустители и коалесценты, многие из этих компонентов поверхностно-активны и выстраиваются на поверхности пузыря в молекулярную пленку. Когда стенка пузыря растягивается и истончается, местное поверхностное натяжение растет, окружающая жидкость подтягивается на это место, и стенка восстанавливает толщину, поэтому пена может существовать долго. Когда загуститель повышает вязкость, всплытие пузырей и стекание жидкости из пленки замедляются, и пена еще хуже разрушается сама. Некоторые силиконовые выравнивающие добавки, модифицированные простыми полиэфирами, тоже склонны стабилизировать пену, о чем мы говорили в статье о выравнивающих добавках. Макропена и микропена создают разные проблемы. Крупные пузыри на поверхности жидкости называют макропеной, она мешает в основном производству и фасовке; мелкие пузырьки, распределенные в объеме материала, называют микропеной, они всплывают очень медленно и после нанесения оказываются запертыми в мокрой пленке. После высыхания микропена остается в покрытии и становится главным источником проколов и потери блеска.

Ущерб от пены тянется от цеха до объекта заказчика. На стадии производства падает эффективность диспергирования и сбивается дозирование при фасовке. Когда емкость диссольвера заполнена пеной, пузыри гасят сдвиговое усилие фрезы, нужной степени перетира трудно достичь, диспергирование приходится продлевать, а часть объема емкости занимает пена. Материал с воздухом имеет пониженную плотность: при фасовке по объему не хватает массы нетто, при фасовке по массе ведро легко переливается; когда пена оседает, уровень опускается, и заказчик открывает недолитую тару. На стадии нанесения и пленкообразования появляются проколы и кратеры, снижаются защитные свойства. Если пузыри, внесенные при нанесении, не успевают выйти до высыхания мокрой пленки, они оставляют проколы, кратероподобные углубления и шероховатую поверхность; микропузыри, запертые в покрытии, снижают блеск и четкость отражения. В антикоррозионных покрытиях пузыри и проколы сокращают путь воды, кислорода и агрессивных сред к подложке, и срок защиты сокращается вместе с ним. Такие дефекты проявляются уже после поставки, и переделки и рекламации обходятся гораздо дороже, чем решение проблемы на стадии производства.

Действие пеногасителя, разрушающего пузыри, можно свести к трем шагам: проникновение, растекание и разрыв пленки. Сначала капли с низким поверхностным натяжением проникают в стенку пузыря. Пеногаситель распределен в материале в виде мелких капель, поверхностное натяжение которых ниже, чем у материала, и которые с ним не смешиваются. Коснувшись стенки пузыря, капля входит в жидкую пленку и быстро растекается, раздвигает прежде устойчивый слой молекул ПАВ и уносит жидкость из пленки; стенка пузыря в этом месте истончается, теряет способность к самовосстановлению и в итоге лопается. Многие пеногасители содержат также частицы гидрофобного кремнезема, которые ускоряют разрыв, образуя мостики между двумя сторонами жидкой пленки. По стадии действия функции пеногасителя делятся на пеногашение, подавление пенообразования и деаэрацию: соответственно разрушение уже образовавшейся пены, предотвращение ее стабилизации и удаление микропузырьков из объема материала. Для водных систем важнее первые две функции, а высоковязким системам, системам без растворителей и УФ-отверждаемым системам больше нужна деаэрация. Прежде чем подбирать продукт, нужно понять, с какой именно пеной предстоит бороться.

Чем сильнее пеногасящее действие, тем выше риск кратеров. Пеногаситель работает, только если сохраняет определенную несовместимость с системой, но стоит этой несовместимости стать чрезмерной, и в покрытии появляются дефекты. При слишком хорошей совместимости пеногаситель растворяется в материале и теряет способность гасить пену; при слишком плохой капли получаются крупными и распределяются неравномерно, в покрытии возникают кратеры, «рыбьи глаза» и помутнение, страдает и адгезия при перекрытии. Суть подбора — найти точку равновесия между эффективностью пеногашения и внешним видом покрытия. Пеногасители делятся на три группы: минеральномасляные, силиконовые и полимерные. Минеральномасляные дешевы, обладают умеренным пеногасящим действием и широко применяются в матовых и полуглянцевых водных строительных красках, а в высокоглянцевых системах могут вызывать потерю блеска. Силиконовые имеют очень низкое поверхностное натяжение, работают в малых дозировках и действуют быстро, однако при неудачном выборе марки или дозировки именно они чаще всего вызывают кратеры и проблемы с перекрытием, и как раз с этим столкнулся завод из начала статьи. К полимерным относятся бессиликоновые полимеры, такие как акрилатные сополимеры и виниловые эфиры; они мало влияют на внешний вид и перекрываемость, хорошо деаэрируют и часто применяются в высокоглянцевых эмалях, лаках и многослойных системах. Наши пеногасители Chemtech, серия 30xx и 3100, охватывают модифицированные полисилоксаны и бессиликоновые полимеры, такие как акрилатные сополимеры и виниловые эфиры, с содержанием активного вещества от 3% до 100%, и для каждой марки указаны подходящие системы. Водные, сольвентные и УФ-системы ведут себя по-разному. В водных системах много ПАВ и сильная склонность к стабилизации пены, поэтому от пеногасителя требуется длительное действие. Сольвентные системы сами по себе пенятся слабо; проблемы в них чаще связаны с рецептурами с высоким сухим остатком и микропеной, вносимой при распылении, поэтому важнее деаэрация. УФ-отверждаемые системы имеют высокую вязкость и быстро отверждаются, у микропузырьков почти нет времени выйти, и нужны продукты с высокой деаэрирующей способностью, не мешающие отверждению. Одна и та же марка в другой системе может работать совершенно иначе.

Если ввести пеногаситель не на той стадии или забыть о хранении, даже хороший продукт перестает работать. Вводите его раздельно на стадии перетира и на стадии доводки. Обычно пеногаситель добавляют в два приема: часть на стадии перетира, чтобы контролировать пену при высокоскоростном диспергировании, остальное на стадии доводки, равномерно распределяя при перемешивании на средних или низких оборотах, чтобы сохранить пеногасящую способность на фасовку, хранение и нанесение. На стадии перетира сдвиговые нагрузки велики, пеногаситель легко переэмульгируется, капли становятся слишком мелкими, и эффект ослабевает; при недостаточном перемешивании на стадии доводки капли остаются слишком крупными и вызывают кратеры. Завод из начала статьи добавил пеногаситель в последний момент в конце доводки и попал как раз в ту крайность, где легче всего появляются кратеры. Эффективность падает при хранении, поэтому испытывать нужно и свежие образцы, и образцы после термостатирования. Со временем ПАВ эмульгируют или адсорбируют пеногаситель в материале, либо он всплывает и расслаивается, и часто именно поэтому материал, нормальный на выходе с завода, сильно пенится уже у заказчика. Поэтому для оценки нужны три испытания. Метод плотности: сразу после высокоскоростного перемешивания измерьте плотность материала и сравните с неперемешанным образцом; чем меньше разница, тем меньше внесено воздуха. Метод высоты пены: встряхните или перемешайте материал в мерном цилиндре и запишите высоту пены и время ее разрушения. Окраска образцов: нанесите материал валиком, распылением или кистью тем способом, которым работает заказчик, оцените проколы, кратеры, «рыбьи глаза» и блеск и проверьте адгезию при перекрытии методом решетчатого надреза. Проведите все три испытания один раз на свежих образцах и один раз на образцах после термостатирования, повышая дозировку ступенчато от малой к большей, чтобы найти диапазон, в котором пеногашение соответствует требованиям, а внешний вид не страдает.

Пена на поверхности уже исчезла, почему же в покрытии остаются проколы? Исчезновение пены на поверхности означает, что макропена под контролем, но микропена может оставаться в объеме материала, после нанесения оказаться запертой в мокрой пленке и при высыхании образовать проколы. В этом случае проверьте деаэрирующую способность пеногасителя, а также обратите внимание на вязкость рецептуры, толщину мокрой пленки и способ нанесения. Чем грозит избыток пеногасителя? Избыток пеногасителя вызывает кратеры, «рыбьи глаза» и помутнение, высокоглянцевые системы теряют блеск, а силиконовые пеногасители могут еще и ухудшить адгезию при перекрытии. Дозировку следует определять ступенчатыми испытаниями, находя минимальное количество, которое обеспечивает нужное пеногашение. Можно ли продолжать использовать прежний пеногаситель после смены полимерной дисперсии или диспергатора? Его нужно проверить заново. Эмульгаторы и смачивающе-диспергирующие добавки определяют, насколько система стабилизирует пену, и влияют на совместимость пеногасителя, так что со сменой сырья прежняя точка равновесия может сместиться.

Hongda Group с 1992 года производит в Нинбо химическую продукцию и экспортирует ее более чем в тридцать стран. Наши добавки для лакокрасочных материалов Chemtech включают диспергаторы, выравнивающие добавки, пеногасители, реологические добавки, смачиватели подложки и модификаторы свойств пленки для водных, сольвентных и УФ-систем. Если на вашей линии не удается справиться с пенообразованием, проколами или кратерами, расскажите нам о системе, способе нанесения и марках, которые вы используете сейчас, и мы вместе определим тип пеногасителя, стадию введения и пробную дозировку. Чтобы узнать больше о вариантах сотрудничества, зайдите на hongda-chem.com и нажмите "Become a strategic partner".