BYK Logo

01

泡とは?

塗料・コーティングにおいて泡は常に望ましくないものです。泡は塗料の製造中に発生することがあり、その結果、製造タンクを十分に満たすことできなくなります。泡は、塗料を容器に充填する際に問題を引き起こすこともあれば、塗料を塗布する際に表面欠陥を引き起こすこともあります。泡は見た目に影響するだけでなく、塗膜の保護機能も低下させます。このような理由から、消泡剤は塗料システムの処方において不可欠な材料なのです。

コーティング剤に含まれるほぼすべての成分は、泡挙動に関してプラスにもマイナスにも影響します。塗料の基材と塗布方法も泡挙動に影響を及ぼします。塗料を「一般的に」消泡するということはできません :例えば、ある塗料はスプレー塗布には表面の問題はないかもしれませんが、同じ塗料システムをカーテンコーターで使用する場合、泡の問題が発生する可能性もあります。

ここでは塗料に焦点を当てているため、液状の泡のみを扱いますが、これは液体中に気体(一般に空気)が微細に分布したものと定義されます。他の物理的状態と比較してみると、この種の泡の特徴は気体と液体の界面が非常に大きいことです。エネルギー的な理由から、各液体はその表面をできるだけ小さく保とうとします。つまり、泡は常に液相よりもエネルギーが高い状態であり、泡を安定させる効果による結果としてのみ可能となります。気泡が発生するとすぐに、液相の気泡は表面に上昇します。ストークスの法則によれば、上昇速度vは気泡の半径rと液体の粘度ηに依存します。

ストークスの法則

排液効果

気泡が表面に達すると、液体が泡のラメラ、すなわち気泡の周りの薄い液膜から抜け出ます(排出効果): ラメラは次第に薄くなり、厚さ約10nm以下ではラメラが破れ、泡が破裂します。もしこのプロセスが上述の通りにすすめば、安定した泡は発生しないので、泡の問題は生じません。例えば、純粋な液体の場合、純粋な液体であるため、泡は発生しません

安定した泡を作るためには、泡を安定させる物質が液相に存在していなければなりません。一般的に、これらは界面活性物質(界面活性剤)であり、分子内に疎水性化学基と親水性化学基を含むという特徴があります。この構造により、液体と気体の界面で配向し、界面張力を低下させ、安定した泡の条件を作り出すことができます。あらゆる塗料(水系、無溶剤系、有機溶剤系を問わず)には、多種多様な化学的性質と起源を持つ、この種の界面活性物質が多数含まれています。このような理由から、泡の形成は原則としてどの塗料系でも予想されるものです。

泡の一生の経過を観察すれば、泡は時間の経過とともに前述の排出効果によって液体を失い、それによってその構造が変化することが理解できます。できた直後の泡は、まだ比較的多量の液体を含んでいるのが特徴です。そのため、このタイプの泡は、気泡がまだ球状で、互いに対してほとんど変形しないことから、「ウェットフォーム」または「球状泡」と呼ばれています。その後、液体は泡のラメラから排出され(排液効果)、ラメラは薄くなり、気泡は互いに近づき、変形し、多面体を形成します。この泡は現在「ドライフォーム」または「多面体泡」と呼ばれています。

ウェット&ドライフォーム

泡のラメラがますます薄くなるにつれて、この排液効果は、もし抑制する反対の作用がなければ泡の崩壊を引き起こします。これらの作用効果の一つは、泡を安定させる物質である界面活性剤の化学構造に由来します。水系では、親水性基はイオン構造になっています。界面活性剤で覆われた泡のラメラの2つの界面は、液体が流出すると次第に近づき、最終的にはラメラを挟んで相互作用します。同種の電荷は互いに反発し合い、界面活性剤分子間の静電反発によって泡のさらなる乾燥と崩壊が抑制さ れます。

泡の安定化

純水では安定した泡ができない

もう一つの安定化の作用は、泡のラメラの弾性から生じます。ラメラがわずかに引き伸ばされると、一定数の界面活性剤分子がより広い表面に分布するため、引き伸ばされた領域の界面における界面活性剤濃度が低下します。しかし、表面の界面活性剤濃度が低下すると、表面張力が上昇し、ラメラはエネルギー的に有利な状態に戻ろうとします。この表面張力の差(γ)は、水と界面活性剤の混合物がラメラの本体と表面からラメラの以前に伸張した領域に供給されることによって補正さ れます。この特殊な泡安定化効果は、ギブス・マランゴニ効果と呼ばれます。