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消泡剤および脱泡剤の作用機構

一般に、泡を安定化させる可能性のある物質を塗料の配合において使用せずに済ませることはできないため、これらの物質が存在するにもかかわらず泡が発生しないように、あるいは発生した泡をできるだけ早く破壊するために、消泡剤が用いられます。

消泡剤は表面張力の低い液体で、本質的に3つの条件を満たす必要があります:

  • 消泡する媒体に溶けないものでなければならない
  • 正の浸入係数を持たなければならない、
  • 正の拡散係数を持たなければならない。

浸入係数が正であれば、消泡剤は泡のラメラに浸入することができます。また、拡散係数が正の条件を満たせば、消泡剤はラメラに侵入した後、界面で拡散することができます。泡ラメラの界面で広がることにより、泡を安定化させる界面活性剤が排除され、干渉に対して安定な弾性ラメラは凝集力の低いフィルムに置き換わることになります。

消泡剤がラメラを不安定にする(脱濡れ)

疎水性粒子がラメラを不安定にする

消泡剤がラメラを不安定にする(拡散)

疎水性シリカの粒子に加え、BYKはポリウレアとポリアミドをベースとする2つの粒子技術を開発しました。

ポリウレア粒子の特徴は、消泡効果が高いことに加え、さらに2つの利点があります:

1. ポリウレアは、キャリアオイル中で液状の反応物質から合成され、粒子は大幅に小さくでき、沈降しにくくなります。消泡剤自体の貯蔵安定性が向上します。

2. 比表面積が大きいため界面活性剤の吸着容量が大きくなり、塗料の長期保存にも最適な消泡性を保つことができます。

ポリアミド粒子をベースにした技術も、食品と接触する用途に使用できるという点で有益です。特定の用途では、より高い効率性も得られます。

すべての消泡剤のもう一つの重要な特徴は、消泡される媒体との不相溶性を目標に制御することです。相溶性が良すぎる消泡剤は、特に泡のラメラに移行せず、塗膜全体に存在することとなります。相溶性が悪すぎると、濁りやハジキなどの塗膜欠陥を引き起こします。したがって、適切な消泡剤を選択することは、相溶性と不相溶性の間の一種の「バランスをとる行為」です。相溶性が良すぎると、消泡効果ではなく泡の安定化が起こります。最適なレベルは、欠陥(濁り、ハジキ)なしに良好な消泡が達成される場合となります。

従って、消泡剤の選択は、添加時期、添加混合時間と添加方法(せん断力)、および塗料配合中の添加量に依存します。これらのパラメータはすべて、塗料配合中の消泡剤の分布、ひいては液滴サイズに影響を与えます。したがって、これらは消泡剤の効果に影響を与えます。分散プロセスが非効率的で液滴が大きすぎる場合には、塗料は表面欠陥に悩まされます。分散強度が大きすぎると、消泡剤の液滴が小さくなりすぎ、塗料中での挙動が "相溶 "しすぎて消泡効果が低下します。

高濃度溶液状態として存在する特に活性の高い消泡剤の場合、消泡剤液滴はその場で生成する必要があります。これは例えば、塗料の配合に含まれる消泡剤が高いせん断力でミルベース中に微細に分散されることで起こりえます。乳化液滴がすでに水中に微細に分散している消泡剤エマルションの場合、消泡剤は、通常レットダウン時に使用される低いせん断力で塗料配合に添加することができます。

さまざまな塗料系があるため、すべての配合に最適な消泡剤というものは存在しません。どのような目的にも適した製品を提供できるようにするためには、幅広い種類の消泡剤が必要です。消泡効果は、添加量を変えることで微調整できます: 一般に、消泡剤の添加量が多いほど、より優れた消泡効果が得られます。しかしながら、これは欠陥を増加させるか、むしろ欠陥が目立ちやすくなる可能性もあります。添加量を減らせば塗膜の欠陥は防げますが、消泡効果が十分でない場合もあります。

「消泡」という用語は、塗料から気泡を除去することを表すのによく使われます。しかし、場合によっては「消泡」「脱泡」は区別するときがあります。まず、気泡が表面に到達する必要があります。 表面にある泡を取り除くことが消泡と呼ばれます。消泡剤が効果を発揮するのは、表面にある気泡を除去することです。それに比べ、脱泡剤は塗膜全体に効果を発揮します。

消泡および脱泡

表面での泡。消泡剤は泡を不安定にします。

塗膜中への空気混入。脱泡剤は気泡の表面への移動を促進します。

微小な気泡(マイクロフォーム)が塗装した膜に巻き込まれることがあります。これは特に、塗膜の厚みや 塗布液の粘度が高い場合に起こり、小さな気泡の表面への上昇を妨げます(上記のストークスの法則を参照)。小さな気泡の内圧は外圧に比べて高く、この現象によって空気が気泡から塗膜中に拡散します。乾燥の過程で、小さなマイクロバブルは小さくなり、文字通り収縮して消滅します。この消滅過程は、顕微鏡と連動したカメラで確認することができます。

しかし、界面活性剤が気泡壁に吸着して気泡が安定化すると、この空気の拡散プロセスは終了します。表面活性による脱泡剤の作用機構は、液体と空気の界面における配向と、界面における安定化界面活性剤の除去からなり、泡を消すことが可能になります。これら2つの効果を実際に区別することは必ずしもできるわけではないため、添加剤が消泡剤または脱泡剤としてどの程度有効であるかを確認することは困難です。

こうした理由から、以下では「消泡剤」という用語を使用しますが、特定の場合には「脱泡剤」が正しい用語となります。ここでは主に、水系および溶剤系におけるBYK消泡剤の化学的性質について説明します。BYK消泡剤は、以下のグループに分けることができます:

  • 鉱物油系消泡剤
  • シリコーン系消泡剤
  • ポリマー系消泡剤