مشکلات ایجاد کف در پوشش ها و جوهرها

در صنعت رنگ، پوشش و جوهر، ایجاد کف مسئله ای رایج است که در درجه اول با سیستم های پایه آب مرتبط است. البته برخی مواقع وجود کف مشکلات عملکردی را در فرمولاسیون های مبتنی بر پایه آب/حلال و بدون حلال نیز ایجاد می کند.

به طور معمول، فوم به دلیل وجود اجزای مختلف در فرمولاسیون مانند سورفکتانت ها، دیسپرس کننده ها، عوامل تر کننده، امولسیفایرها و غیره ایجاد می شود. ایجاد کف یک عارضه جانبی نامطلوب است که می تواند در طی فرآیند تولید، پر کردن یا بسته بندی و همچنین استفاده از رنگ ها رخ دهد.
کف زمان تولید را افزایش داده و بسته بندی را دشوار می کند، به عنوان مثال، کف کنترل نشده می تواند منجر به سرریز شدن مواد از ظروف در حین ساخت گردد.

کف (فوم) اغلب عیوب سطحی مانند چشم ماهی (fisheyes)، حفرات (pinholes) و پوست پرتقالی (orange peel) را در طول تشکیل فیلم بر جای می‌گذارد و منجر به از دست دادن براقیت و شفافیت در فیلم پوشش می‌شود. این عیوب نه تنها ظاهر بصری پوشش را تحت تأثیر قرار می دهد، بلکه عملکرد محافظتی پوشش را با تضعیف فیلم خشک کاهش می دهد.
کف (فوم) همچنین سطح رنگ نفوذ پذیرتری برای جذب خاک و سایر آلاینده هایی که منجر به تغییر رنگ می شوند را ایجاد میکند.

حتی بدون در نظر گرفتن سیستم و فرایند مورد استفاده میتوان با قطعیت گفت که کف همواره عاملی ناخواسته در یک پوشش است. بنابراین، برای جلوگیری از ایجاد هرگونه مشکل کیفی، عوامل کنترل کف به یک جزء جدایی ناپذیر در فرمولاسیون رنگ ها و پوشش ها تبدیل شده اند. با استفاده از ضد کف (آنتی فوم) یا عامل آزاد کننده هوای مناسب، فیلم‌های اعمال شده می‌توانند ظاهر دلپذیری داشته و در برابر خوردگی مقاومت مناسب داشته باشند .

فوم به عنوان پراکندگی پایدار دو فازی تعریف می شود که در آن مولکول های گاز توسط مایع محصور می شوند. برای درک بهترمسئله، اجازه دهید ابتدا با بررسی مایعات خالص شروع کنیم.

مایعات خالص کف نمی کنند. پس از تکان دادن مایع خالص، گاز موجود در آن تمایل به تشکیل حباب‌های کروی دارد (با توجه به کمترین میزان انرژی سطحی). با این حال، اگر مایع خالص باشد و اینکه هیچ عامل فعال سطحی در مایعات خالص وجود ندارد، حباب ها به سمت بالا (سطح) حرکت نموده و به دلیل عدم وجود تثبیت بلافاصله از هم پاشیده میشوند.

از طرف دیگر، اگر مایع خالص نباشد یا حاوی اجزای بیشتری باشد، کف ایجاد می شود. علت ایجاد کف، ورود گاز به مواد مایع و تثبیت حباب ها در سطح مایع است.

یکی از دلایل اصلی تشکیل کف وجود اجزای دیگری است که کشش سطحی را کاهش می دهد. این امر منجر به پایداری گازهای پراکنده در محیط مایع می شود، زیرا یک لایه دوگانه تثبیت شده با سورفاکتانت در اطراف حباب های هوا تشکیل شده و آنها را به درون خود حباب می کشد. این نوع کف ها معمولاً به عنوان کف مایع شناخته می شود.

هنگامی که حباب های گاز در محلول حاوی سورفکتانت ایجاد میشوند، مولکول های سورفکتانت در سطح حباب جذب شده و کشش سطحی بین حباب و فاز حجمی را کاهش می دهند. اگر یک حباب به بالا سطح بیاید، حباب هایی تولید می شود که توسط یک لایه نازک (لاملا) (lamella) محصور شده اند. لایه لاملا کف ها می توانند با لایه های دیگر پیوند دهند و یک کف بزرگتر تشکیل گردد.

یک لایه لاملا (lamella) از یک لایه دوگانه سورفکتانت تشکیل شده است که یک طرف آن از تک لایه مولکول های سورفکتانت در سطح مشترک هوا-مایع حباب و طرف دیگر از تک لایه مولکول های سورفکتانت تشکیل شده است که سطح مشترک مایع-هوا را می پوشانند.

کف دو ساختار متفاوت دارد که ممکن است در حباب‌های کروی و کف ‌های حاوی سلول‌های چند وجهی ایجاد شود. این ساختارها در اثر گرانش تمایل به تغییر دارند.
ماکروفوم (Macrofoam) به شکل چند وجهی در مراحل اولیه و در زمان خشک شدن وجود دارد.ماکروفوم متشکل از حباب هایی است که قادر به بالا آمدن به سطح نیستند اما به شکل مایع باقی می مانند.

فرمولاسیون رنگ ها و پوشش ها به صورت مایعات خالص نیستند. یکی از دلایل اصلی ایجاد کف، وجود مواد افزودنی است که کشش سطحی در فرمول پوشش کاهش می دهد.

این افزودنی ها عبارتند از:
– سورفکتانت ها و عوامل تر کننده (Surfactants and wetting agents ) : برای اصلاح خواص پخش شوندگی در پوشش ها استفاده می شوند،
– عوامل امولسیون کننده (Emulsifying agents): برای تثبیت ملکولهای بایندر در دیسپرسیون آبی استفاده می شوند.
– عوامل پخش کننده و دیسپرس کننده (Dispersing agents): برای دیسپرسیون رنگدانه ها و پرکننده ها استفاده می شود تا پراکندگی یکنواخت آنها در یک محیط آبی تسهیل شود.
– مواد همتراز کننده، لولینگ (Leveling agents) وسایر ادتیو ها: برای دستیابی به خواص خاص رنگ یا بهبود فرآیند تولید استفاده می شود.

به دلیل حضور این ادتیوها در فرمولاسیون، حباب های هوا مانند ذرات آبگریز توسط مولکول های سورفکتانت تثبیت می شوند. این مولکول‌های سورفکتانت که دارای ویژگی آبدوست-آبگریز هستند، لایه‌ای را در اطراف حباب تشکیل می‌دهند. قسمت آبگریز (hydrophobic) آنها به سمت هوا (حباب) و قسمت آبدوست (hydrophilic) به سمت آب جهت می‌دهند. بنابراین، کشش سطحی بین حباب و مایع کاهش یافته و حباب هوا تثبیت می شود.

در رنگ‌ها، پوشش‌ها و جوهرها، هوا درسیستم وارد شده و در مراحل مختلف کف ایجاد می‌شود، برای مثال:

– در زمان تولید: به دلیل سرعت بالای هم زدن در حین آسیاب پلیمر/رنگدانه

– در زمان بسته بندی : پمپاژ محصول در حین پر کردن بسته

– در زمان حمل و نقل : هم خوردن و تکان خوردن رنگ

– در زمان کاربرد: توسط پاشش، غوطه ور کردن، برس زدن رنگ که منجر به نقایص فیلم به دلیل تشکیل حباب های هوا می شود.

– در زمان خشک شدن : گاز های آزاد شده در حین خشک شدن رنگ.

دو جنبه اصلی عوامل کنترل کننده کف عبارتند از فعالیت سطحی و نامحلول بودن آنها می باشد. چهار فرآیند اساسی که به کمک آنها آنتی فوم ها کف را تخریب می کنند عبارتند از:

نفوذ (Entering)
پل زدن (Bridging)
زهکشی (De-wetting)
پارگی (Rupture)

کنترل کف یکی از چالش های اصلی هم برای تولید کنندگان و هم برای اعمال کننده ها برای اطمینان از ظاهر صاف و یکنواخت لایه رنگ است. مواد کنترل کننده کف به فرمولاسیون پوشش و جوهر اضافه می شود تا از گیر افتادن هوا و ایجاد کف جلوگیری شود. عوامل کنترل کف را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• افزودنی های ضدکف (Anti-foam additives)
• کف زدا و هوازدا یا عوامل ازاد کننده هوا (Defoamers and Deaerators or Air-release agents)
اصطلاحات ارائه شده بالا به درستی در صنعت رعایت نمی شوند و اغلب به جای یکدیگر استفاده می شوند. اما اجازه دهید آنها را جداگانه مورد بحث قرار دهیم تا نحوه عملکرد آنها را درک کنیم.

ضد کف ها برای کاهش موارد زیر به رنگ ها اضافه میشوند :
– مشکلات کف در حین ساخت،
– هوادهی در حین پر شدن قوطی و
– تشکیل حباب هوا در حین استفاده.
آنها آزاد شدن هوا از لایه پوشش در هنگام خشک شدن بهبود می بخشند. یک عامل ضد کف نباید باعث لخته شدن رنگدانه یا ناپایداری امولسیون شود، و اینکه سازگاری ضعیفی داشته باشد که منجر به نقص در فیلم خیس و یا خشک شود و بر ظاهر رنگ تأثیر بگذارد.
عوامل ضد کف برای یک سیستم رنگ یا پوشش خاص معمولاً با روشی ارزیابی می شوند که شامل هم زدن شدید و ادغام هوا در سیستم رنگ و به دنبال آن مشاهده زمان مورد نیاز رنگ برای بازگشت به چگالی اولیه است.

کف زداها پس از تشکیل فوم، آن را از بین می برند. کف زدا مایعاتی با کشش سطحی کم هستند که می توانند وارد لایه فوم شوند یا به عنوان یک محیط حامل برای انتقال ذرات آبگریز به لایه فوم عمل کنند و منجر به فروپاشی لایه فوم شوند.
در رنگ های امولسیونی، کف کردن می تواند منجر به تشکیل نامطلوب عیوب سطحی ( حفره و منافذ ) در فیلم پوشش شود. کف زدا کشش سطحی مایع را به حدی کاهش می دهد که حباب های هوا در فوم از هم پاشیده می شوند.
برای پوشش های پایه آب، دو ویژگی متمایز از کف زدا مهم است: کف زدایی و هوازدایی.
• برای از بین بردن کف های ماکروسکوپی تشکیل شده در پوشش پس از اعمال – کف زدایی (defoaming)
• برای حذف هوای محبوس شده در طول فرآیند پوشش – هوازدایی (deaerating)

هوازداها حباب های هوا یا میکروفوم ها را از مایع جدا می کنند و به آنها کمک می کنند تا به سطح برسند.
کف زدا ها باید ناسازگاری جزئی یا هدفمند با فرمول پوشش داشته باشد. اگر هوازداها بیش از حد سازگار باشد موثر نخواهد بود، در حالی که اگر بیش از حد ناسازگار باشد، نقص هایی مانند حفره، چشم ماهی یا کدرشدگی رخ می دهد. کف زدا به طور معمول آبگریز هستند، به راحتی روی سطوح مشترک پخش می شود، کشش سطحی کمی دارد، در محیط محلول نیست و در حالت ایده آل به صورت قطرات ریز پراکنده می شود.
نکته فرمولاسیون: استفاده از کف زدا در ترکیب با افزودنی همتراز کننده (leveling additive) سودمند است. پس از ترکیدن حباب های فوم، سطح به سرعت صاف می شود و از ایجاد فرورفتگی ها و سوراخ های سوزنی جلوگیری می کند.
به طور کلی در رنگ‌ها و پوشش‌ها، انتخاب ضد کف باید به دقت مورد توجه قرار گیرد تا کارایی کف بری و سازگاری پوشش متعادل شود.