水性涂料 照相机捕捉图像
为防止空气滞留和起泡，水性涂料配方中常加入消泡剂。通 过捕捉喷涂在玻璃基材表面涂层的高分辨率图像，对消泡剂性能 进行了研究。图像分析对助剂效果提供了定量测量。出乎意料的 是，最有效的产品为非离子的润湿剂而非消泡剂。
涂料的作用除了用于装饰外，用在木器表面还起到改善性能的 作用[1]。在众多的涂料配方中，聚氨酯（PU）具有最优异的 耐磨性和耐化学性[2]。直到最近，溶剂型PU涂料在木器涂料市场 上仍占主导地位。然而，由于环境法规和消费者偏好，市场正转 向水性涂料[1]。
在向水性涂料技术转换中，面临的主要挑战之一是如何使水 性涂料的表面张力降低到接近溶剂型涂料的表面张力—约25 mN/m[3]。为了实现良好的湿润性和附着力，任何所配制涂料的表面张 力都应大大低于待涂覆基材的表面能[4]。
例如，木材的表面能约为44 mN/m[5]，而水的表面张力为 72 mN/m。因此，在不同的水性涂料配方中，必须使用不同的助 剂，使涂料的表面张力降低至涂料自身（不含水）的表面张力约 30 mN/m[3]。在干燥过程中，如果涂膜的表面黏度变得太高，形成 的气泡无法从表面逸出，就会滞留在涂膜中。此外，异氰酸酯与 水反应生成的CO2也可导致水性聚氨酯涂料中形成气泡的问题[2-6]。 所以，采用消泡剂可防止空气滞留和起泡。消泡剂为低表面张力 的液体，可进入气泡膜内[7]，或作为载体将疏水颗粒转移到气泡膜 内；这两种方式都会导致泡沫破裂[7]。
嵌段共聚物消泡剂通常用于新型水性涂料配方中[8]。尽管预测哪种类型的助剂会破坏泡膜相对比较简单，但详细的预测非 常困难，这是因为有多种成分可能终止气泡接触面[6]。
为了应对新涂料配方的起泡问题，需要研究表面活性 剂、润湿剂、水性聚合物以及消泡剂的结合使用，这一点至 关重要[6]。本研究的主要目标在于设计一种精确的定量研究， 对不同助剂在水性聚氨酯涂料配方中的气泡形成和消泡效果 进行测量。
表面张力测量过程
本研究中，用一种水性双组分脂肪族聚氨酯树脂（Daotan公司产品）作为基础树脂。使用了一些市售的、通常建议用于木 器涂料的消泡剂和通用助剂（来自不同制造商）。对纯树脂的表 面张力进行测量，并与以不同浓度的各种助剂混合后树脂的表面 张力进行比较。采用Wilhelmy板法，规格22 mm x 50 mm x 0.15 mm，在"Sigma 70"张力仪进行测量，每个样品取10次读数 的平均值。在所有气泡研究中，严格按照木器涂料制造商建议的 助剂与树脂的比率混合。此外，还进行了试验分析，来定量和定 性测定涂料配方中使用的不同助剂对气泡数量、大小的影响以及 在喷涂后15 min内的变化情况。本研究对每种助剂的效果都进行 了单独测试。每个配方包含两种成分：纯树脂及一种所述助剂。 表1的前两栏中列出了本研究中使用的所有助剂的名称及浓度。用 一个木制搅拌器将这些组合物完全混合，用手持式压缩空气喷枪 喷涂在玻璃表面。
涂装和成像程序
根据树脂密度及玻璃表面积对喷涂次数进行调整，使最终的 湿膜厚度达到约150 μm。使用的玻璃基材为耐热硼硅方形玻璃， （规格为5 cm x 5 cm x 0.3 cm，由McMaster-Carr公司生产）。一旦完成喷涂，将玻璃基材在单反（SLR）数码相机（Nikon"D90"） 下成像，见图1（左）。
为更好地控制静止拍照时间的准确度，使用了一个定时器系 统（TC-N3，JYC Technology）。试验采用LED光板（Porta Trace公 司）工作面尺寸为22 cm×27 cm，亮白LED灯作为光源。在装置周 围放置了一个灯箱，给照相机遮挡外部光源。整个实验装置的照 片见图1（右）。15 min内，每隔5 s拍摄一次照片。用"ImageJ" 软件对图像进行处理，用Macro对分析过的每张图像的气泡数量和 平均大小进行汇总。
检查不同添加率的影响
表1对表面张力测量结果进行了汇总。在0.1%的固定浓度下， 对每种助剂进行了测量，并与推荐的木器涂料配方用的不同浓度 树脂的表面张力进行了比较。
在确定助剂降低表面张力的效果时，应考虑两种因素：纯树 脂及助剂/树脂配方之间的表面张力的降低幅度；在两种浓度时的 表面张力差异。
此外，数据表明降低表面张力所需的浓度。如果0.1%浓度配 方的表面张力与更高浓度配方的表面张力相似，这意味着配方中 无需再使用更多量的助剂。
例如，分子消泡剂 Surfynol MD 20在仅添加0.1%时，表面张 力就降得非常低。这意味着不仅无需更高浓度，并且更多剂量会 对表面张力造成轻微的负面影响。
另一示例为Byk-346表面活性剂，这是一种聚醚改性的聚硅氧 烷助剂，推荐用来降低表面张力。添加0.1%到树脂中，可将表面 张力降低至25.8 mN/m，这与添加0.3%后的表面张力（25.0 mN/ m）非常接近。这说明，添加更多并无益处。
气泡滞留的研究结果
采用不同的助剂，初始和最终气泡的数量和大小各不相同。 在每种情况下，在15 min内的图像分析研究期间，气泡数量随着 时间而减少，直至达到最后的气泡数量。图2～图6显示在15 min 内使用不同助剂的处理过的快照图像，其中t = 0、1、3、7、 12min。每张图像的分辨率为4 288 x 2 848像素。表2是使用每种助 剂的初始和最终气泡数量和大小的汇总。
纯树脂在开始时，整个表面上都覆盖有大小不等的气泡。然 后，气泡开始四处移动，彼此碰撞汇合形成一些大气泡。这是气 泡周围产生的表面张力梯度所造成的一种效果（见图2）。接着， 一些气泡逐渐破裂，表面上的气泡数量减少，但即使树脂完全干 燥后，表面上仍然有很多气泡（24 h后）。
添加硅氧烷类表面活性剂（"Byk-346"）可使大气泡无法形 成。但刚开始时的小气泡仍然较多，其中一些在观察15 min后仍 然存在。
图4和图5显示添加由同一家公司生产的两种消泡剂后的图像。新产品Foamex 822的效果显然优于Foamex 800。因此，制造 商肯定会建议使用前一种产品作为高效消泡剂。
从图6中可看出，用作润湿剂的Hydropalat非离子表面活性剂 在减少树脂中初始气泡形成方面最有效，它也能快速消除少量形 成的小气泡。
气泡数量的下降趋势是每种助剂潜在优点的体现。图7详细 展示了随着时间的延长，一些助剂和树脂的气泡数量变化情况。 在某些情况下，如图7中的纯树脂，在开始几分钟内气泡数量会增加，这是由于涂膜中的溶解气泡移动至表面所造成。然后，随着 气泡从表面逸离，可观察到气泡数量逐渐减少。
试验程序为更详细的研究提供可能
本研究的独特设计能将添加到水性聚氨酯树脂配方中的多种 消泡剂、表面活性剂及润湿剂的消泡效果进行精准的比较。详细 研究呈现了初始气泡数量及消泡情况，有助于消泡剂制造商对当 前存在问题进行深入了解。
这些结果以及表面张力分析也将有助于涂料配方人员选择最 佳消泡剂，并了解它们在配方中的准确用量。在本研究测试过的 所有助剂中，非离子表面活性剂的效果最好，形成的初始气泡最 少，在观察15 min后湿膜几乎完全没有气泡。
需要与涂料原材料制造商密切合作开展更深入的研究，才能 根据表面活性剂或消泡剂的化学特性来解释上述观察效果，并说 明将其用于更多树脂类型和配方的方法。
对于主要涂料助剂制造商和涂料行业来说，了解减少水性 涂料湿膜中的气泡形成以及快速消泡的作用机理是一种突破性研 究。需要进行更多的研究来确定在气泡滞留研究中助剂组合和最 佳添加顺序的影响。
多伦多大学先进涂料技术中心正在进行的研究重点为：干 燥或固化期间涂料中气泡的运动，以及使气泡滞留在基材表面 还是将气泡推到表面破裂的机理。
结果一览
水的低蒸发率和高表面张力使水性涂料配方易产生气泡 滞留，造成起泡缺陷。在生产、包装和涂装过程中会形成 气泡。为防止起泡，通常要加消泡剂。
通过捕捉水性聚氨酯涂料喷涂在玻璃基材表面的高分辨 率图像，研究了使用不同助剂对气泡形成和消泡效果。
图像分析显示某些助剂可减少刚开始形成的气泡数量以 及15 min后湿膜中的气泡数量。定量分析提供了经测试的 消泡剂的效果的准确对比。
添加非离子润湿剂几乎不会产生气泡，与研究中评估的 所有消泡剂相比效果出奇的好。
致谢
作者对Maryam Rezazadeh在整个项目期间提供的帮助表示感谢，同 时感谢Sherwin-Williams Canada Inc.公司和加拿大自然科学工程研究委 员会（NSERC）提供的资金支持。
参考文献
[1] Bulian F., Graystone J. A.. Industrial wood coatings - theory and practice, 2009, Elsevier.
[2] Wicks Jr. Z. W., Wicks D. A., Rosthauser J. W.. Two package waterborne urethane systems, Prog. in Org. Coat., 2002, Vol. 44, No. 2, pp 161-183.
[3] Nejad M., Cooper P.. Exterior wood coatings, Part 2: Modeling correlation between coating properties and their weathering performance, JCTR, 2010, Vol. 8, No. 4, pp 459-467.
[4] Weldon D. G.. Failure analysis of paints and coatings, 2002, John Wiley & Sons, p 291.
[5] Wålinder M.. Wetting phenomena on wood: factors influencing measurements of wood wettability, doctoral thesis, 2000, KTHRoyal Institute of Technology, Stockholm.
[6] Zeno W. et al.. Organic coatings: science and technology, 2007, Hoboken, N.J., Wiley-Interscience.
[7] Du J. W.. Surfactants, dispersants, and defoamers for the coatings, inks, and adhesives industries, in Coatings technology handbook, Ed. Tracton A. A., 2006, Taylor & Francis, New York.
[8] Schulte H.-G.. Antifoams, in Additives in water-borne coatings, Ed. Davison G. Lane B. C., 2003, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK. pp 61-73.
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