آنتی فوم

فوم چیست؟

حضور فوم همواره در یک پوشش ناخواسته و نامطلوب است. ایجاد فوم در حین فرآیند تولید پوشش می تواند مانع از پرشدن بهینه مخازن تولید شده که این خود می تواند هنگام پر کردن ظروف از پوشش مشکل ایجاد کند یا باعث ایجاد نقایص و حفره در سطح در هنگام اعمال پوشش شود. فوم نه تنها بر ظاهر بصری تأثیر منفی می گذارد، بلکه عملکرد محافظتی پوشش را نیز کاهش می دهد. تقریباً همه اجزای موجود در فرمولاسیون پوشش می توانند بر رفتار کف به طور مثبت یا منفی تأثیر گذار باشند. به همین دلایل ، یک آنتی فوم مناسب جزء ای جدایی ناپذیر در فرمول بندی یک سیستم پوشش است.فوم های مایع (liquid foams)،  توزیع ذرات ریز گاز (به طور کلی هوا) در مایع می باشند. ویژگی بارز این نوع فوم در مقایسه با سایر حالات فیزیکی، سطح تماس بسیار زیاد بین گاز و مایع است. با در نظر گرفتن قوانین انرژی، مایعات تمایل دارند تا حد امکان سطح خود را کوچک نگه دارد، بدین ترتیب فوم همواره سطح انرژی بالاتری نسبت به فاز مایع دارد و پایداری آنها تنها در نتیجه اثرات تثبیت کننده کف ممکن می شود. به محض تولید، حباب های گاز در فاز مایع به سمت بالا و سطح حرکت میکنند. طبق قانون استوکس (Stokes‘ law)، سرعت صعود v بستگی به شعاع r حباب ها و گرانروی η مایع دارد.

لاملای (lamella) کف، همان فیلم نازک مایع اطراف حباب گاز است. هنگامی که حباب گاز به سطح مایع رسید، مایع از فضای لایه لاملا (lamella) فوم تخلیه می شود (اثر زهکشی). لایه لاملا نازک  و نازکتر شده و در ضخامت تقریبی 10 نانومتر این لایه پاره شده و حباب کف از بین میرود. اگر فرآیندها طبق توضیحات بالا انجام شود، در سیستم ها مشکلی با فوم وجود ندارد زیرا حباب های فوم پایدار نیستند. این مورد تنها در مایعات خالص صادق است و میتوان گفت که مایعات خالص کف نمی کنند.

برای تولید حباب های فوم پایدار، مواد تثبیت کننده کف باید در فاز مایع وجود داشته باشد. به طور کلی، اینها مواد فعال سطحی (سورفکتانت ها) هستند که دارای گروه شیمیایی آبگریز و آب دوست در مولکولشان هستند. این ساختار به آنها این امکان را می دهد در سطح تماس مایع/گازی جهت گیری کرده، کشش سطحی را کاهش داده و در نتیجه الزامات لازم برای ایجاد کف پایدار را ایجاد کنند.

هرفرمول پوششی (اعم از پایه آب، بدون حلال یا پایه حلال) حاوی مقادیر زیادی از این انواع مواد فعال سطحی با تنوع شیمی و منشاء مختلف است. به همین دلیل، تشکیل فوم باید در اصل در هر سیستم پوششی مورد انتظار باشد.

فوم به مرور زمان طبق اثر زهکشی مایع خود را از دست می دهد و در نتیجه ساختار آن را تغییر می کند. فوم تازه ایجاد شده که حاوی سطح نسبتاً بالایی از مایع است به عنوان کف مرطوب “wet foam” یا کف کروی  “spherical foam” شناخته می شود زیرا حباب های گاز هنوز کروی هستند و به سختی در برابر یکدیگر تغییر شکل می دهند. به مرورکه مایع از لایه های فوم تخلیه می شود (اثر زهکشی)، لایه ها نازک می شوند، حباب های گاز به هم نزدیک می شوند، در برابر یکدیگر تغییر شکل می دهند و چند وجهی می شوند. این فوم در حال حاضر فوم خشک  “dry foam”یا  فوم چند وجهی  “polyhedral foam”نامیده می شود.

با نازک شدن لایه لاملای فوم بر اثر زهکشی و در صورت نبود نیروهای مخالف (مواد تثبیت کننده کف)، فوم فرو ریخته از بین میرود. در محیط آبی و در حضور سورفکتانت ها، لایه لاملا فوم با سورفکتانت پوشیده شده است. هنگامی که زهکشی اتفاق افتاده و مایع تخلیه می شود، و دو لایه به طور فزاینده ای به هم نزدیک می شوند ولی بارهای الکتریکی مشابه سورفکتانت یکدیگر را دفع می کنند و بدین ترتیب از طریق دافعه الکترواستاتیک بین مولکول های سورفاکتانت از خشک شدن بیشتر و در نتیجه ترکیدن کف جلوگیری می شود.

اثر تثبیت کننده دیگر ناشی از کشش و الاستیسیته لایه لاملای فوم است. اندکی کشیدگی در لایه لاملا باعث کاهش غلظت سورفاکتانت در سطوح سطحی کشیده می شود زیرا در اثر کشیدگی و افزایش سطح، مولکول های سورفاکتانت در سطح بزرگتری توزیع می شود. با این حال، کاهش غلظت سورفکتانت در سطح، باعث افزایش کشش سطحی می شود، که باعث می شود لاملا به حالت مطلوب انرژی بازگردد. این تفاوت در کشش سطحی (γ ) با تخلیه مخلوطی از آب و سورفاکتانت از بدن و سطح لایه لاملا به ناحیه لاملا که قبلاً کشیده شده بود، جبران می شود. این اثر تثبیت کننده خاص، اثر گیبس مارانگونی (Gibbs- Marangoni effect) نامیده شده است.

مکانیزم عملکرد آنتی فوم ها و عوامل آزاد کننده هوا

به طور کلی، از آنجا که نمی توان از حضور سورفکتانت ها و مواد تثبیت کننده کف در فرمولاسیون پوشش اجتناب کرد، از آنتی فوم ها برای جلوگیری از ایجاد و پایداری کف استفاده می شود.

آنتی فوم ها مایعاتی با کشش سطحی پایین هستند که اساساً باید سه شرط اولیه را داشته باشند:

• آنتی فوم ها نباید در محیطی که کف زدایی میشود محلول باشند،
• ضریب نفوذ مثبتی داشته باشند ،
• ضریب پخش مثبت.

اگر ضریب نفوذ مثبت باشد، آنتی فوم در لایه های فوم نفوذ خواهد کرد. اگر ضریب پخش مثبت باشد، آنتی فوم می تواند پس از نفوذ به لایه لاملا، در سطح مشترک پخش شود. با پخش شدن آنتی فوم در سطح مشترک لاملای فوم، سورفکتانت های تثبیت کننده فوم جابجا می شوند، نقاط ناپایدار ایجاد و لاملا تضعیف میگردد.

علاوه بر این اضافه کردن ذرات سیلیکای آبگریز، باعث بهبود خاصیت کف زدایی می شوند. گاهی این ذرات را از طریق واکنشگرهای مایع در پایه روغنی آنتی فوم سنتز مینمایند تا ذرات ریزتر و مقاوم در برابر ته نشینی حاصل شود. بدین ترتیب آنتی فوم دارای ثبات ذخیره سازی بهتری دارد.

آنتی فوم باید ناسازگاری هدفمند و کنترل شده با محیطی که باید آن را کف زدایی کند، داشته باشد. آنتی فوم ای که با محیط بسیار سازگار باشد به لایه لاملای کف مهاجرت نمی کند و در کل لایه پوشش وجود خواهد داشت. در این صورت، اثر کف زدایی ضعیف بوده و یا انجام نمیشود. ناسازگاری بیش از حد باعث نقص های مشکل ساز پوشش مانند کدورت یا حفره می شود. بنابراین درانتخاب آنتی فوم مناسب باید حالت تعادل بین سازگاری و ناسازگاری در نظر گرفته شود. سطح مطلوب و بدون نقص (کدورت، حفره) زمانی حاصل می شود که کف زدایی خوب صورت پذیرد.

سازگاری و ناسازگاری این وضعیت به صورت گرافیکی در شکل زیر نشان داده شده است: ناسازگاری زیاد باعث تثبیت کف به جای کف زدایی می شود.

بنابراین انتخاب یک آنتی فوم بستگی به زمان افزودن، مدت زمان و روش اختلاط (نیروهای برشی) و میزان مصرف در فرمول پوشش دارد. تمام این پارامترها بر توزیع و در نتیجه بر اندازه قطرات ضد کف در فرمول پوشش و بر کارایی آن تأثیر می گذارند. اگر پخش ناکارآمد باشد و باعث تشکیل قطرات بیش از حد بزرگ شود، نقایص سطحی در پوشش ظاهر می شود. اگر پخش بسیار زیاد باشد، قطرات آنتی فوم بسیار کوچک شده، در نتیجه رفتار آنها در فرمولاسیون پوشش بسیار “سازگار” بوده و اثر بخشی کاهش می یابد.

با توجه به تنوع زیاد سیستم های پوشش، یک آنتی فوم واحد وجود ندارد که به طور مطلوب برای همه فرمول ها مناسب باشد و طیف وسیعی از آنتی فوم ها مورد نیاز است.

با تغییر دوز، می توان اثر آنتی فوم را به طور دقیق تنظیم کرد: به طور کلی، هرچه از مقدار بیشتر آنتی فوم استفاده شود، کف زدایی بهتر حاصل می شود. با این حال، استفاده بیش از حد ممکن است منجر به ایجاد نقایص در پوشش گردد. کاهش دوز از ایجاد عیوب فیلم جلوگیری می کند، اگرچه اثر کف زدایی، در برخی شرایط، کافی نیست.

اصطلاح “کف زدایی” اغلب برای توصیف حذف حباب های گاز از پوشش استفاده می شود. با این حال، در موارد خاص ، اصطلاحات “کف زدایی” (defoaming) و “رهاسازی هوا”  (air release) باید از یکدیگرمتمایز شوند. ابتدا حباب های گاز باید به سطح برسند.

• آنتی فوم ها (Defoamers) در حذف حباب های گازی که به سطح رسیده اند، موثر هستند.
• در مقایسه، عوامل رهاسازی هوا (Air release agents) در سراسر پوشش قادر به کف زدایی هستند.

کف در فیلم پوشش. عوامل رهاسازی هوا مهاجرت حباب ها به سطح را تسریع می کنند.

هنگامی که ضخامت فیلم و ویسکوزیته فرمولاسیون بالا باشد و مانع بالا آمدن حباب های کوچک به سطح شود میکرو حباب های کوچک (میکروفوم) در فیلم پوشش گیر می کنند.

فشار داخلی در حبابهای کوچک در مقایسه با فشار خارجی بیشتر است و این پدیده باعث پخش هوا از حبابها به داخل پوشش می شود. در حین خشک شدن، حباب های ریز کوچک و کوچکتر و در نهایت ناپدید می شوند. این فرآیند انحلال را می توان با یک دوربین متصل به میکروسکوپ دنبال کرد.

اگر در نتیجه جذب سورفکتانت ها توسط دیواره ها حباب تثبیت شود، فرایند انتشار هوا به پایان می رسد. مکانیسم عمل عوامل انتشار هوا شامل قرارگیری در رابط بین مایع و هوا و حذف مواد فعال کننده سطحی تثبیت کننده در سطح مشترک است. از آنجا که تمایز بین این دو اثر در عمل همیشه امکان پذیر نیست، تعیین میزان تاثیر یک افزودنی به عنوان یک ضد بخار یا یک عامل رهاسازی هوا دشوار است.

در ادامه، به معرفی انواع آنتی فوم های سیستمهای پایه آب و پایه حلال نویان افزون شیمی خواهیم پرداخت.

آنتی فوم های بر پایه روغن

• NACO-DF 2211

آنتی فوم فاقد سیلیکون NACO-DF 2211 بر پایه روغن بوده و جهت استفاده در پوشش­های پایه آب، فرآیندهای پلیمریزاسیون امولسیونی و چسب­های پایه آب. درصد قابل توجهی از این آنتی فوم ها را روغن تشکیل می دهد که به عنوان حامل عمل می کنند. مقادیر مناسبی از ذرات آبگریز، امولسیفایرها، بیوسیدها و سایر مواد افزایش دهنده عملکرد مانند پلی سیلوکسانهای اصلاح شده نیز دیگر ماد تشکیل دهنده این دسته از آنتی فوم ها می باشد.

حضور امولسیفایرها درآنتی فوم ها برای اطمینان از پراکندگی کارآمد ذرات موجود در روغن ضروری است. آنها همچنین باعث می شوند تا آمیختن آنتی فوم در فرمول پوشش آسان تر شود.

NACO-DF 2211 یک محصول ضد کف بر پایه روغن برای استفاده در پوشش های آستر و رویه پایه آب خودرویی، پلیمریزاسیون امولسیونی و چسب ها می باشد که علاوه بر کیفیت و کارایی مناسب در از بین بردن کف، خواص نهایی محصول از نظر ایجاد ایراداتی مانند حفره، چشم ماهی، از بین رفتن چسبندگی بین لایه های رنگ را تضمین و استانداردهایی خودرویی را با موفقیت می گذراند.

خواص ویژه:

• کارایی مناسب در از بین بردن کف و جلوگیری از ایجاد کف
• عدم ایجاد ایرادات حفره و چشم ماهی
• حفظ چسبندگی بین لایه های رنگ
• عدم ایجاد ماتی در پوشش نهایی و حفظ براقیت
• عدم ایجاد اختلال در آزمون های حساس پوشش های خودرویی از قبیل آزمون‌های رطوبت، اتوکلاو، چسبندگی، خوردگی، کاتاپلاسم، براقیت

NACO-DF 2211 معادل داخلی محصولات مثل BYK 011, TEGO 2-89, DREWPLUS T-4201, DENSIPOL PA/318 می باشد.

• NACO-DF 2022

یک محصول آنتی فوم بر پایه سیلیکون و پلیمر برای استفاده در پوشش‌های پایه حلال و بدون حلال بوده و به ویژه برای سیستم های کفپوش اپوکسی پیشنهاد می گردد. از جمله مصارف آن به کاربرد در سیستم های پوشش محافظ، پوشش ­های صنعتی، پوشش ­های معماری، پوشش ­های چوبی و مبلمان می توان اشاره کرد. دارای قدرت حذف کف مناسب در مدت زمان قابل قبول، ایجاد سطح عاری از حفره و صاف و هموار در پوشش نهایی قابل مقایسه با محصولات مشابه EFKA و BASF، عدم ایجاد ماتی در پوشش نهایی، دوز مصرفی و قیمت بسیار مناسب و بدون بوی حلال های آلی می باشد.

خواص ویژه:

• کارایی مناسب در از بین بردن کف و جلوگیری از ایجاد کف
• ایجاد سطح بدون حفره و صاف در پوشش نهایی
• حفظ چسبندگی بین لایه های کفپوش
• عدم ایجاد ماتی در پوشش نهایی و حفظ براقیت
• دوز مصرفی و قیمت بسیار مناسب
• بدون بوی حلال های آلی

NACO-DF 2022 معادل داخلی محصولات مثل EFKA 2722, EFKA 2723, BYK A 530 می باشد.