Quali sono i comuni agenti antischiuma? Tipi, regole di selezione e correzioni dei difetti

La scorsa primavera una linea di coil-coating è passata a un nuovo primer acrilico a base acqua. Nel giro di due turni, i rulli applicatori trasportavano uno strato di schiuma visibile, la pellicola polimerizzata presentava fori di spillo e il lotto veniva scartato. Il formulatore aveva dosato lo 0,10% di un antischiuma dimetilsiliconico standard, lo stesso prodotto che aveva funzionato perfettamente nel vecchio sistema a base solvente. Niente nel pacchetto di controllo della schiuma era di per sé sbagliato. Semplicemente non corrispondeva al carico di tensioattivo, al pH e al profilo di taglio della nuova formulazione.

Se ti stai chiedendo quali siano effettivamente i comuni agenti antischiuma, ecco prima la risposta breve, con i dettagli dietro di essa più in basso.

Quasi tutti gli antischiuma presenti sul mercato appartengono a una delle quattro famiglie chimiche:

• Dispersioni di oli minerali e cere
• Antischiuma siliconici, inclusi siliconi dimetilici e varianti organomodificate
• Antischiuma polimerici privi di silicone, tipicamente copolimeri a blocchi EO/PO, polimeri acrilici ed esteri di polietere
• Prodotti speciali e miscelati realizzati per un unico sistema, come formulazioni UV, ad alto pH o a contatto con gli alimenti

Scegliere tra loro non è una questione di scegliere il killer di schiuma più potente. L'antischiuma giusto deve essere sufficientemente incompatibile da rompere le lamelle della schiuma e sufficientemente compatibile da lasciare la pellicola priva di difetti. Tutto ciò che segue riguarda la ricerca di quella finestra stretta.

Come si rompe una pellicola di schiuma e cosa significa per la scelta dell'antischiuma

Una schiuma non è solo bolle. È una rete di sottili pellicole liquide stabilizzate da molecole di tensioattivo disposte all'interfaccia aria-liquido. Tre forze mantengono in vita quei film:

1. Elasticità superficiale. Quando una pellicola si allunga, il tensioattivo migra sulla superficie appena creata e ripristina la tensione superficiale locale. Questo è l'effetto Marangoni ed è lo stabilizzante più potente nella maggior parte dei sistemi di rivestimento, inchiostri e adesivi.
2. Viscosità superficiale. Polimeri idrosolubili, addensanti e modificatori reologici associativi aumentano la viscosità della superficie del film e rallentano il drenaggio.
3. Repulsione elettrostatica e sterica tra le due interfacce del film, soprattutto a pH elevato o in presenza di particelle fini di pigmento.

Un antischiuma funziona solo se interferisce con uno o più di questi meccanismi. In pratica un antischiuma funzionante fa quattro cose in sequenza: entra nel film di schiuma, si diffonde lungo l'interfaccia, destabilizza localmente lo strato di tensioattivo e drena il film fino alla rottura.

Perché avvenga l'ingresso e la diffusione, la tensione superficiale dell'antischiuma deve essere inferiore a quella del liquido schiumogeno. Ecco perché quasi ogni concentrato antischiuma contiene un componente a bassa energia superficiale: olio di silicone, silossano modificato o particelle di cera idrofobica. L'olio vettore, l'emulsionante e il riempitivo idrofobico decidono insieme se il prodotto si diffonde o semplicemente affonda.

La seconda condizione è più difficile da descrivere ma più importante nella pratica: l'antischiuma deve essere insolubile nel mezzo. Se si scioglie smette di essere un antischiuma e diventa un altro tensioattivo. Ma l’insolubilità ha un costo. Un antischiuma troppo incompatibile non si disperderà abbastanza finemente e le stesse goccioline che fanno esplodere la schiuma in superficie creano anche crateri, occhi di pesce e fori di spillo nel film secco. Ogni decisione pratica relativa alla selezione si basa su quell’altalena.

Antischiuma per oli minerali e cere

Gli antischiuma a base di oli minerali rappresentano la famiglia più antica e, in termini di volume, ancora quella più utilizzata. Un prodotto tipico è una dispersione di particelle idrofobiche - silice pirogenica, ammidi di acidi grassi o cere modificate - in un vettore oleoso paraffinico o naftenico, stabilizzato con uno o due emulsionanti non ionici. Nei sistemi a base acquosa arrivano come emulsione olio in acqua o come olio attivo al 100% che il formulatore emulsiona sul posto.

Dove i tipi di olio minerale funzionano bene

• Sistemi alcalini a base acquosa: vernici architettoniche, rivestimenti di carta e formulazioni tessili in cui il pH è superiore a 8.
• Polimerizzazione in emulsione e manipolazione del lattice, dove la schiuma viene generata in modo continuo anziché a raffiche.
• Processi in cui la contaminazione da silicone è un divieto assoluto, come alcune linee di verniciatura automobilistica e rivestimenti elettronici.
• Formulazioni sensibili ai costi in cui è sufficiente un antischiuma ad ampio spettro dallo 0,2% allo 0,5%.

Dove non sono all'altezza

Gli antischiuma a base di oli minerali sono deboli nei sistemi lucidi e trasparenti. Le goccioline d'olio si trovano ad un indice di rifrazione leggermente diverso rispetto al legante e a dosi più elevate si presentano come foschia o come una misurabile perdita di brillantezza. Inoltre tendono a perdere efficienza in condizioni di taglio elevato, perché l'azione meccanica riemulsiona le goccioline d'olio e perdono la capacità di diffondersi sulla superficie della schiuma.

La stabilità dello stoccaggio è un'altra considerazione. A temperatura elevata l'olio può separarsi e galleggiare in superficie, producendo una pellicola visibile sulla vernice o sull'inchiostro stampato. Se il processo funziona ad alta agitazione e necessita di un rapido abbattimento anziché di una soppressione a lungo termine, un prodotto a base di olio minerale puro è solitamente la prima prova sbagliata.

Antischiuma organosiliconici

Gli antischiuma siliconici dominano l'industria dei rivestimenti e degli inchiostri per un motivo: combinano la tensione superficiale più bassa disponibile con un'eccellente stabilità termica. Una struttura portante di polidimetilsilossano ha una tensione superficiale compresa tra 20 e 21 mN/m, ben al di sotto dell'acqua a circa 72 mN/m e al di sotto della maggior parte dei leganti e solventi organici. Quella bassa energia superficiale è esattamente ciò che rende la diffusione così efficiente e l’abbattimento così veloce.

Silicone riempito con particelle idrofobiche

Il tipo cavallo di battaglia è costituito da un supporto in silicone dimetilico caricato con silice pirogenica idrofobica. Le particelle di silice conferiscono alla gocciolina una superficie ruvida e idrofobica che perfora meccanicamente la lamella di schiuma: un meccanismo a ponte molto più efficace della sola diffusione. Questi prodotti vengono normalmente forniti come liquido attivo al 100% o come emulsione dal 10% al 30% e vengono dosati tra lo 0,05% e lo 0,3% sul totale della formulazione.

Il rischio principale è il difetto superficiale. L'olio siliconico libero che non si disperde completamente può spostarsi lontano dal punto di aggiunta e produrre crateri, buccia d'arancia e problemi di ricopertura. In uno strato di finitura, o in qualsiasi sistema che deve accettare un secondo strato, un silicone dimetilico non riempito deve essere trattato con cautela.

Silossani modificati con polietere

L'innesto di catene di polietere sulla struttura portante del silossano modifica sostanzialmente il comportamento. I gruppi polieterei aumentano la compatibilità con i leganti organici e con l'acqua, il che migliora la qualità della dispersione e riduce la tendenza alla formazione di difetti superficiali, ma riduce anche l'efficienza dell'antischiuma grezzo. I silossani modificati con polietere sono quindi il tipo di scelta quando il sistema è sensibile, quando il rischio di difetti è elevato e quando è accettabile un controllo moderato della schiuma.

Questi prodotti si comportano diversamente anche con la temperatura. I silossani modificati con polietere hanno un punto di intorbidimento; sopra di esso diventano insolubili e improvvisamente molto più efficaci come antischiuma, ma possono anche cadere dalla soluzione e causare opacità in uno strato trasparente. Se la temperatura dell'applicazione varia di oltre 15 gradi C lungo la linea, eseguire il test su entrambe le estremità dell'intervallo.

Per i sistemi a base acqua, un antischiuma siliconico a base di emulsione è spesso il punto di partenza più pratico perché si disperde con semplice agitazione e non richiede una premiscela ad alto taglio.

Antischiuma polimerici esenti da siliconi

Esistono antischiuma senza silicone perché gran parte del mercato non tollera affatto il silicone. OEM automobilistici e linee di rifinitura, alcuni rivestimenti elettronici e display, vernici di sovrastampa che devono rimanere riverniciabili e una serie di adesivi industriali vietano esplicitamente la contaminazione da silossano. Questa famiglia inoltre evita completamente il meccanismo dei difetti guidato dalla tensione superficiale.

La chimica è più varia di quanto la maggior parte delle persone si aspetti. Gli elementi costitutivi comuni includono:

• Copolimeri a blocchi EO/PO, che agiscono come agenti bagnanti o antischiuma a seconda del rapporto e dell'end-capping
• Polimeri acrilici con polarità controllata, spesso utilizzati negli inchiostri a base acqua e nei sistemi UV
• Esteri di polietere, alcossilati di alcoli grassi e oli naturali modificati
• Silice idrofoba dispersa in un supporto organico senza silicone presente

La velocità di abbattimento è generalmente più lenta di un prodotto in silicone riempito. Ciò che i tipi senza silicone fanno bene è la soppressione a lungo termine e la qualità della pellicola. Poiché sono formulati per avvicinarsi al limite di compatibilità, si disperdono più finemente, rimangono sospesi più a lungo e non lasciano quasi alcuna traccia superficiale alla dose raccomandata.

Il dosaggio è normalmente più elevato rispetto a quello dei siliconi: in genere è compreso tra lo 0,2% e l'1,0% sulla formulazione totale e alcuni sistemi di inchiostri arrivano all'1,5%. Confermare sempre il limite superiore con un prelievo, perché al di sopra di una certa concentrazione questi prodotti iniziano ad agire come agenti bagnanti e possono stabilizzare la schiuma invece di romperla. Quel punto di inversione è reale ed è uno degli errori di formulazione più comuni che vediamo in panchina.

Scelta per sistema: una tabella comparativa

La tabella seguente riassume i tipi chimici che solitamente funzionano meglio in ciascun sistema, insieme agli intervalli di dosaggio tipici e al difetto a cui prestare attenzione. Trattare gli intervalli di dosaggio come punti di partenza per uno studio a scala, non come raccomandazioni fisse.

I parametri tecnici che effettivamente decidono il risultato

Due antischiuma possono avere la stessa famiglia chimica sull'etichetta e comportarsi in modo completamente diverso nella formulazione. Questi sono i parametri che vale la pena richiedere a un fornitore prima di impegnarsi in una prova.

Un altro parametro merita di essere menzionato: la compatibilità. Una semplice schermata di compatibilità consiste nell'aggiungere l'antischiuma al doppio della dose prevista a un piccolo campione, aspirarlo sul vetro e ispezionarlo sotto una luce radente dopo l'indurimento completo. Se vedi foschia, granelli o crateri con una dose doppia, li vedrai con una dose normale in un substrato diverso o con uno spessore della pellicola diverso.

L'antischiuma e l'abbattimento della schiuma sono due lavori diversi

I formulatori spesso usano le parole in modo intercambiabile, ma i test misurano cose diverse e i profili dei prodotti differiscono.

L'eliminazione della schiuma, a volte chiamata abbattimento, consiste nel distruggere la schiuma già esistente. È dominato dal coefficiente di diffusione e dalla velocità con cui la goccia di antischiuma raggiunge la superficie della schiuma. I prodotti in silicone con riempitivo idrofobo sono quelli con le prestazioni migliori in questo ambito.

L'abbattimento, o antischiuma in senso stretto, consiste innanzitutto nel prevenire la formazione della schiuma. Dipende da quanto tempo l'attivo rimane disperso nella massa e da quanto bene migra verso nuove interfacce. I polimeri senza silicone e le emulsioni finemente disperse tendono a fare meglio in questo ruolo.

La classifica di cui sopra vale in un sistema modello pulito. Cambia quando si inserisce l'antischiuma in una vera vernice o inchiostro, perché leganti, pigmenti e modificatori reologici competono tutti per le stesse interfacce che l'antischiuma deve occupare. Ecco perché il test modello ti dice quale chimica selezionare e il test applicativo ti dice quale voto mantenere.

Test della schiuma: dal beaker al serbatoio di produzione

Il controllo della schiuma è una delle poche proprietà in un laboratorio di rivestimento che viene quasi sempre sottovalutata su scala di banco. Un bicchiere da 200 ml a 800 giri/min genera molto meno ingresso d'aria rispetto a un serbatoio da 2.000 litri con un dispersore ad alta azione di taglio che funziona alla stessa velocità della punta. Pianificare di conseguenza la scala di prova.

Passaggio 1: screening della compatibilità

Aggiungi il candidato allo 0,1%, 0,3% e 1,0% alla fase di delusione. Pellicole colate su vetro e sul supporto previsto. Ispezionare eventuali crateri, fisheye, opacità e qualsiasi perdita di brillantezza o adesione dopo 24 ore.

Passaggio 2: agitare e mescolare i test

Un test di scuotimento graduato del cilindro fornisce una rapida classifica della velocità di abbattimento. Un test di agitazione ad alta velocità da 2.000 a 3.000 giri al minuto per 5 minuti fornisce un punteggio di soppressione, perché continua a generare nuova interfaccia per tutta la durata del test.

Passaggio 3: simulazione dell'applicazione

I prelievi, l'applicazione a rullo e gli spruzzi rivelano difetti che un test in bicchiere non mostra mai. In particolare l'applicazione a spruzzo crea un film sottile dove una goccia di antischiuma instabile produce ogni volta un foro stenopeico.

Passaggio 4: prova di produzione con un campione di attesa

Prelevare un campione dal serbatoio immediatamente dopo lo scarico e nuovamente dopo 24 ore di conservazione. L'altezza della schiuma e la qualità della pellicola devono essere misurate su entrambi. Un prodotto che funziona il giorno zero ma perde dispersione dal primo giorno fallirà nella linea del cliente, non nella tua.

Conservare il lotto di prova nelle stesse condizioni di conservazione della produzione. Le emulsioni antischiuma sono dispersioni fisiche e il congelamento, lo stoccaggio prolungato a temperature superiori a 40°C o ripetuti cicli di pompaggio possono destabilizzarle.

Agenti antischiuma comuni in applicazioni specifiche

Vernici industriali all'acqua

Questi sistemi trasportano il carico di tensioattivo più pesante di qualsiasi altra categoria di rivestimento, poiché agenti bagnanti, disperdenti, substrati e addensanti associativi contribuiscono tutti alla formazione della schiuma. Un approccio a due componenti spesso funziona meglio: un silicone riempito per l'eliminazione durante la produzione, più una piccola quantità di polimero privo di silicone per l'eliminazione durante l'applicazione.

DH-2277S Antischiuma a base acqua Antischiuma di tipo emulsione di olio vegetale di idrocarburi alifatici a catena lunga non siliconico; Visualizza il prodotto →

Inchiostri da stampa

Gli inchiostri a base acqua formano schiuma durante il pompaggio, durante la fase di raclatura e all'interno della vaschetta dell'inchiostro. La contaminazione da silicone causa difetti di stampa difficili da rintracciare, quindi la maggior parte dei produttori di inchiostri adotta come standard prodotti chimici privi di silicone. Il controllo della dose è più importante che nei rivestimenti, perché lo stesso prodotto che uccide la schiuma può anche influenzare la tensione superficiale e quindi l'ingrossamento del punto, le chiazze e l'adesione al supporto.

Adesivi e sigillanti

La schiuma in un adesivo non è solo un problema di lavorazione. L'aria intrappolata riduce l'area di contatto effettiva sulla linea di adesione, il che si manifesta come una ridotta resistenza alla pelatura e come vuoti nell'adesivo polimerizzato. I tipi di olio minerale e copolimeri EO/PO sono le scelte abituali in questo caso, perché causano la minima interferenza con l'adesività e con le proprietà meccaniche finali.

Sistemi a solvente

La schiuma è meno persistente nei rivestimenti a base solvente perché i solventi organici hanno una tensione superficiale inferiore e si scaricano più velocemente. Quando si forma la schiuma, di solito è causata da un elevato carico di pigmenti e dal sistema disperdente. Di solito è sufficiente una dose bassa di silicone riempito senza solventi, tipicamente dallo 0,05% allo 0,2%.

Sistemi UV e alto solido

Queste formulazioni non hanno acqua o solventi da drenare, quindi la schiuma che si forma rimane. Sono preferiti i tipi acrilici e polietere senza silicone perché i siliconi possono interferire con la polimerizzazione UV sulla superficie. Un sintomo comune è una pellicola leggermente appiccicosa o opaca dopo l'indurimento completo, che è facile diagnosticare erroneamente come un problema del fotoiniziatore.

Se il problema della schiuma è riconducibile alla bagnatura del pigmento piuttosto che al legante, la soluzione potrebbe invece appartenere alla fase di dispersione. La nostra guida su come selezionare il giusto grado di agente disperdente per i rivestimenti copre la logica di selezione per quella parte della formulazione.

La chimica del silicone interagisce anche direttamente con il controllo della superficie. Se stai utilizzando un sistema contenente silicone e noti problemi di flusso o scivolamento insieme a problemi di schiuma, l'articolo complementare su agenti livellanti acrilici nei rivestimenti industriali spiega come dovrebbero essere bilanciati i due pacchetti di additivi.

Risoluzione dei problemi legati alla schiuma

Quando si manifesta un difetto della pellicola, l'antischiuma è spesso il primo sospettato e talvolta quello sbagliato. Questa tabella associa il sintomo visibile alla causa probabile e all'azione correttiva.

Note sull'approvvigionamento, lo stoccaggio e la movimentazione

Gli antischiuma sono solitamente una piccola voce in una formulazione, il che rende facile trascurare i dettagli pratici che ne determinano il funzionamento in produzione.

• Punto di addizione. Gli antischiuma siliconici funzionano meglio se aggiunti nella fase di rilascio, dopo la dispersione del pigmento, dove il taglio è moderato. Aggiungerli durante la macinazione può distruggere l'emulsione e seppellire il principio attivo all'interno degli agglomerati di pigmento.
• Diluizione. Molti prodotti in emulsione possono essere prediluiti con acqua per migliorare la distribuzione, ma la diluizione riduce notevolmente la durata di conservazione. Diluisci solo ciò che utilizzerai durante un turno.
• Magazzinaggio. Conservare i contenitori a una temperatura compresa tra 5 e 35 gradi C. Il congelamento rompe la maggior parte delle emulsioni in modo permanente e nessuna quantità di agitazione le riporterà indietro.
• Miscelazione. Far rotolare lentamente il tamburo prima dell'uso. Il deposito del riempitivo idrofobo è normale e non è un difetto di qualità.
• Documentazione. Richiedi la scheda tecnica, la scheda di sicurezza e il certificato di analisi specifico del lotto. Per i mercati di esportazione, richiedere la dichiarazione normativa relativa al paese di destinazione prima della prova, non dopo il primo ordine.

Un'abitudine d'acquisto che fa risparmiare molto tempo: qualificare contemporaneamente due prodotti di famiglie chimiche diverse. Se un cambiamento normativo o una carenza di materia prima ne rimuove uno, il secondo è già approvato e non stai ricominciando il lavoro da zero.

Domande frequenti

Qual è il dosaggio tipico di un antischiuma?

La maggior parte degli antischiuma siliconici vengono utilizzati tra lo 0,05% e lo 0,3% sulla formulazione totale. I tipi di oli minerali e polimeri senza silicone di solito vanno dallo 0,2% all'1,0%. Iniziare dall'estremità inferiore dell'intervallo, eseguire una scala e verificare che l'estremità superiore della scala non presenti difetti superficiali.

Posso aggiungere l'antischiuma a fine produzione invece che durante la fase di calatura?

La post-aggiunta è possibile e talvolta è l'unica opzione pratica per un serbatoio che ha già prodotto schiuma. Funziona meglio con prodotti in emulsione e con agitazione moderata. Il compromesso è la distribuzione: un prodotto aggiunto tardi ha meno tempo e meno forze di taglio per disperdersi, quindi può controllare la schiuma nel serbatoio ma non funzionare comunque durante l'applicazione.

Perché la schiuma peggiora dopo aver aggiunto l'antischiuma?

Ci sono due ragioni comuni. Il primo è il sovradosaggio: al di sopra di una certa concentrazione alcuni tensioattivi si comportano come stabilizzanti della schiuma anziché come frangischiuma. Il secondo è la scarsa emulsionabilità, dove un antischiuma scarsamente disperso forma grosse goccioline che generano difetti e contemporaneamente non riescono a raggiungere la superficie della schiuma. Entrambi si risolvono riducendo la dose e migliorando la miscelazione.

Come faccio a scegliere tra un antischiuma siliconico e un antischiuma senza silicone?

Scegli il silicone quando hai bisogno dell'abbattimento più rapido e della dose più bassa e quando il sistema tollera il silicone. Scegliete senza silicone quando il film è trasparente o molto lucido, quando il rivestimento deve accettare un secondo strato, quando una fase successiva del processo è sensibile ai silossani o quando l'applicazione finale vieta il silicone per motivi di conformità.

L'antischiuma influirà sull'adesione o sulla ricopertura?

Può, e i prodotti contenenti silicone sono i soliti colpevoli. L'olio siliconico libero migra verso la superficie durante la formazione del film e riduce l'energia superficiale, che è esattamente ciò che impedisce allo strato successivo di bagnarsi. Se un sistema necessita di riverniciabilità, ridurre la dose di silicone o testare un'alternativa priva di silicone con lo stesso livello di efficienza.

Per quanto tempo posso conservare un antischiuma?

La durata di conservazione tipica è di 12 mesi dalla data di produzione in un contenitore non aperto, conservato a una temperatura compresa tra 5 e 35 gradi C. Le emulsioni possono mostrare una leggera sedimentazione, il che è normale. La separazione in due strati trasparenti o un forte odore indicano che il prodotto non deve essere utilizzato senza un test di compatibilità a fresco.

Posso miscelare due diversi antischiuma?

Sì, e la miscelazione è spesso la risposta migliore quando un singolo prodotto non è in grado di fornire sia l'abbattimento che la soppressione. Miscela un silicone riempito per un rapido abbattimento con un polimero privo di silicone per una soppressione a lungo termine in un rapporto determinato dal tuo studio sulla scala. Non miscelare due emulsioni di carica ionica opposta senza un test preliminare: la miscela potrebbe rompersi nel tamburo.

Come faccio a sapere se l'antischiuma è compatibile prima di una prova completa?

Eseguire uno screening in tre punti: aggiungere il prodotto alla metà della dose prevista, alla dose prevista e al doppio della dose prevista in campioni separati, quindi colare le pellicole sul vetro. Ispezionare sotto una luce radente dopo la completa polimerizzazione. Se il campione a doppia dose è pulito, il prodotto ha un margine di compatibilità sufficiente per la normale variazione della produzione.