Вино, виски и кофе и их роль в выборе добавок для покрытий

Преимущества для специалистов, занимающихся вином, виски и кофе, хорошо известны – кофе помогает специалисту проснуться с утра, а вино или виски помогает отпраздновать или скрасить результаты в конце дня.

Преимущества для специалистов, занимающихся вином, виски и кофе, хорошо известны – кофе помогает специалисту проснуться с утра, а вино или виски помогает отпраздновать или скрасить результаты в конце дня. Однако «слезы вина» и пятна от кофе (рисунок 1) также представляют собой хорошо известные примеры эффекта Марангони, [1] важного физического явления, которое наблюдается на красках и покрытиях и зачастую имеет нежелательные последствия. Оба примера демонстрируют поведение жидкости под действием сил поверхностного натяжения.

Рисунок 1. Слезы вина, пятно от кофе и следы виски на стенках стакана. [2]

Слезы вина возникают в результате испарения воды и этанола с поверхности вина с последующей конденсацией на стенках стакана.

Поскольку спирт имеет более высокое давление насыщенного пара, чем вода, на стенках стакана конденсируется больше воды, что дает конденсат, содержащий большое количество воды, в то время как поверхность вина содержит большое количество спирта. Когда конденсат стекает по стенкам стакана обратно на поверхность вина, наблюдается необычная картина течения: вино немного поднимается вверх по стенкам стакана, сила тяжести оттягивает его вниз, что выглядит как движение капель («слез») вверх по стенкам стакана. Это связано с тем, что силы притяжения (поверхностное натяжение) в каплях с большим содержанием воды больше, чем на поверхности с большим содержанием спирта, из-за чего жидкость стягивается в капли. Это явление впервые объяснил физик Джеймс Томсон, а затем более глубоко изучил Карло Джузеппе Маттео Марангони (1840-1925) в рамках своей докторской диссертации в университете Павии в Италии.

Данное явление было подробно изучено и продолжает исследоваться по сей день.

Другой пример картины течения под воздействием сил поверхностного натяжения – это эффект кофейного пятна, образование более интенсивно окрашенного кольца вокруг края разлитой жидкости. [3] При испарении с поверхности жидкой смеси силы поверхностного натяжения создают такой характер течения, который обеспечивает циркуляцию более летучего компонента на поверхности, что позволяет границе раздела сжиматься по мере уменьшения объема жидкости (рисунок 2).

Рисунок 2. Картина течения под воздействием поверхностного натяжения в каплях жидкости. [3]

Однако, если жидкость взаимодействует с подложкой, то сужение может быть ограничено или замедлено. Если в поток попадают твердые частицы, такие как гранулы кофе, они будут смещаться к краю, а затем осаждаться, поскольку объема недостаточно, чтобы вернуть их обратно к капле. В результате образуется толстый край, который отчетливо виден, если частицы окрашены.

Этот эффект также продолжают активно изучать, а недавно исследователи из Принстона заметили, что краевой эффект не возникает при высыхании виски в чистом стакане. [2] Они также смогли воспроизвести это явление, используя сочетание поверхностно-активных веществ (ПАВ), растворимых полимеров и смесей растворителей, для потенциального применения в покрытиях.

Силу, создаваемую градиентом поверхностного натяжения, также можно продемонстрировать с помощью простого эксперимента с мылом, когда небольшую лодочку можно привести в движение добавлением маленькой капли ПАВ (или противовспенивающего средства) в специальный вырез в задней части лодки. Этот эффект особенно нагляден, если поверхностно-активное вещество окрашено или используется эмульсионный противовспениватель. Этот же эксперимент можно использовать, чтобы показать, как другие факторы влияют на поток.

Когда эксперимент проводят с более крупной лодкой (большей массы), движение значительно замедляется, поскольку для перемещения более тяжелого объекта требуется большая сила. Подобным образом, если заменить воду на мед (или на воду с целлюлозным загустителем), лодка с трудом сдвинется с места, поскольку вязкостное сопротивление будет препятствовать движению. Таким образом, видно что хотя поток, вызываемый градиентом поверхностного натяжения, может быть сильным, на него также влияют и другие свойства жидкости.

Силы поверхностного натяжения связаны со многими известными проблемами в покрытиях, например, недостаточное смачивание подложки, кратеры, дефект «рыбий глаз», «апельсиновая корка», стягивание края, образование рамки и недостаточная способность к повторному окрашиванию. Поверхностно-активные вещества часто используются для контроля и предотвращения этих дефектов путем уменьшения градиента поверхностного натяжения до минимума. Движение жидкости под действием поверхностного натяжения также является важным механизмом в контроле пенообразования, поскольку противовспениватели также имеют низкое поверхностное натяжение; нерастворимые жидкости, распространяющиеся на поверхности пузырька, нарушают его устойчивость. [5] Свойства состава, которые влияют на течение жидкости, также будут влиять и на движение жидкости под действием поверхностного натяжения, а, следовательно, и на характеристики добавок в различных смесях.

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ

Чтобы продемонстрировать это влияние, был подготовлен очень простой состав краски с использованием полиуретановой акриловой гибридной дисперсионной смолы на водной основе, изготовленный с предварительным смешиванием коалесцирующих сорастворителей и доведенный до различных значений содержания твердых частиц с использованием суспензии технического диоксида титана (таблица 1). Чтобы продемонстрировать влияние плотности и содержания твердых частиц в покрытии, краска была испытана на 0%, 15% и 30% ПВХ; образцы 15%

ПВХ также испытывали с загустителем и без него (коммерческий загуститель HEUR 0,4%). Каждый состав испытывался с различными противовспенивателями и ПАВ.

Вязкость состава без загустителя составляла около 100 сантистокс (сСт), с загустителем – 400 сСт; поверхностное натяжение без ПАВ составляло 52 мН/м.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПРОТИВОВСПЕНИВАЮЩИХ СРЕДСТВ

В ходе первичных испытаний исследовалось влияние на четыре разных противовспенивателя – сильный силоксановый противовспениватель, масляный противовспениватель средней категории, более совместимый силоксановый противовспениватель и молекулярный противовспениватель. На графике 1 показаны результаты простого испытания на вспенивание, при котором плотность образцов измерялась до обработки в гомогенизаторе Уоринга и через 30 секунд после нее. Данные представлены через нормированную плотность (плотность измельченного состава / начальная плотность), поскольку более высоконаполненные образцы обладали большей начальной плотностью. Как и ожидалось, все противовспениватели эффективно снижали количество воздуха, содержащегося в образцах, а наиболее эффективными стали силоксановые противовспениватели. Образцы с загустителем обладали более высокой плотностью (более низкое содержание воздуха), чем образцы без него, однако они показали большее пенообразование при нанесении кистью, из чего можно сделать вывод, что в составы с большой вязкостью сложнее как вводить, так и выводить воздух.

График 1. Характеристики пенообразования в зависимости от содержания ПВХ и загустителя в составе.

В целом, составы с большим содержанием ПВХ показали более низкие плотности (большее содержание воздуха), чем составы с низким содержанием ПВХ при испытании всех четырех противовспенивателей. Наиболее эффективным противовспенивателем оказался более совместимый силоксан, за исключением образца с загущенной краской.

Те же составы были нанесены на несколько разных подложек, включая испытательные таблицы Leneta, древесину и пластмассу (Sabic Cycoloy), затем высушенные пленки исследовались на предмет поверхностных дефектов. Некоторые результаты представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Поверхностные дефекты при нанесении краски кистью на подложку из Cycoloy с различными противовспенивателями.

Состав без противовспенивателя не проявил дефектов, но пена была визуально заметна в нанесенном покрытии, в то время как краски с противовспенивателем практически не содержали пену. Повышение вязкости и содержания ПВХ привело к снижению количества и размера поверхностных дефектов для всех трех масляных противовспенивателей на всех испытываемых подложках. Эта тенденция увеличивалась на пластмассовой подложке (непроницаемость, самая низкая поверхностная энергия) и уменьшалась на легкосмачиваемых испытательных таблицах Leneta.

Влияние вязкости состава, плотности покрытия и материала подложки на эффективность противовспенивателя было изучено в других исследованиях, [6] при этом выяснилось, что эти явления связаны с текучестью состава под действием сил поверхностного натяжения.

Более совместимый (менее гидрофобный) силоксановый противовспениватель показал хорошую производительность в большинстве испытаний составов, однако его результаты не всегда были лучшими для испытываемых комбинаций состав/подложка. Молекулярный противовспениватель показал лучшие результаты при испытании прозрачного покрытия, нанесенного на древесину, в то время как масляный противовспениватель оказался лучшим для состава с 30% ПВХ на такой же подложке.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПАВ

Аналогичные тенденции наблюдались при использовании различных ПАВ в качестве смачивающих добавок для тех же составов. При испытании ПАВ 0,5 вес. % ПАВ добавляли к грунтовке, а затем наносили покрытие кистью или аппликатором на одинаковые подложки.

Поверхностное натяжение основного состава составляло 52 мН/м при любом содержании ПВХ, и самое эффективное ПАВ (силоксан) снизило его до 48 мН/м. Многие из этоксилированных ПАВ почти не повлияли на поверхностное натяжение состава, что указывает на то, что они взаимодействовали со связующим веществом или пигментами. Все составы хорошо наносились на древесину и испытательные таблицы Leneta, однако на трудносмачиваемой подложке из Cycoloy наблюдались те же тенденции, что и при использовании противовспенивателей. Как и ожидалось, наилучшие результаты были получены при испытании силоксанового ПАВ, поскольку оно обеспечило снижение поверхностного натяжения настолько, чтобы предотвратить появление дефектов, связанных с поверхностным натяжением. Однако при испытании менее эффективных ПАВ дефекты также были сокращены благодаря твердым частицам в покрытии, повышению плотности или вязкости покрытия, что уменьшило текучесть состава (рисунок 4).

Рисунок 4. Поверхностные дефекты при нанесении краски кистью на подложку из Cycoloy с различными ПАВ.

ВЫВОДЫ

Течение жидкости под действием поверхностного натяжения – это сила, создаваемая локальными перепадами поверхностного натяжения жидкости и подложки, что может вызвать множество нежелательных последствий для разработчика рецептур лакокрасочных покрытий. Однако это течение также зависит от сопротивления массы покрытия, веса пленки и вязкости, которая может предотвратить или ограничить течение. Добавки часто используются в попытках устранить проблемы, вызванные течением под действием поверхностного натяжения, но зачастую они применяются уже после того, как подобраны другие свойства состава. Таким образом, выбор добавок осложняется тем, что они могут действовать по-разному при изменении других свойств состава. Применение высокоэффективных противовспенивателей для высоконаполненных покрытий может привести к образованию поверхностных дефектов, поскольку вязкость состава изменяется в зависимости от условий применения, в то время как более совместимые противовспениватели теряют свою эффективность в более высоконаполненных покрытиях.

Аналогично, узкоспециализированные поверхностно-активные вещества, такие как силоксаны, ацетиленовые диолы и фторированные ПАВ, зачастую следует использовать для трудносмачиваемых подложек, в то время как более простые ПАВ хорошо подойдут для менее требовательных подложек. Понимая, как добавки влияют на изменение характеристик состава, разработчики рецептур могут выявить потенциальные проблемы и быстрее решить их, работая совместно с поставщиками химической продукции.

ПРИМЕЧАНИЕ

При написании данной статьи были использованы: кофе «3 Coraзхes», вино «Cloudy Bay Sauvignon Blanc» и солодовый виски «Isle of Jura».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Marangoni_effect
  2. Ким, Г.; Булонь, Ф.; Ум, Е.; Джакоби, И.; Баттон, Е.; Стоун, Г.А., журнал Phys. Rev. Lett. 116, 124501, март 2016 г.
  3. Тан, Ю.; Хе, У.; Ванг, С.; Тао, З.; Ченг, Л., журнал Nanotechnology, том 25, №12.
  4. Ускоренное обнаружение дефектов пленочного покрытия, части 1 и 2, Джочум Бицма, вэбинар SpecialChem, ноябрь 2010 г.
  5. Журнал The Tego Journal, 4-е издание (2012), стр. 47-49.
  6. Ридер, Дж.; Лэй, Г. Прогнозирование эффективности противовспенивателей при составлении рецептур покрытий, журнал PCI Magazine, март 2013 г., стр. 50-59.

Джим Ридер, ведущий химик компании Evonik Corporation, Аллентаун, Пенсильвания

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Новости 3-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
09.11.2022
75
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Главное выставочно-конгрессное мероприятие привлекло внимание профессионалов, разработчиков, представителей власти, руководителей компаний для ознакомления с новинками…
14.11.2022
102
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Новости 1-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
01.11.2022
99
Итоги выставки ExpoCoatingMoscow
Итоги выставки ExpoCoatingMoscow
ExpoCoating Moscow – ключевая в России специализированная международная выставка материалов и оборудования для обработки поверхности,…
28.11.2022
67
Химия 2022 — новости второго дня выставки
Химия 2022 — новости второго дня выставки
Новости 2-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
02.11.2022
108
«Химия-2022» уже совсем скоро!
«Химия-2022» уже совсем скоро!
Важнейшее выставочно-конгрессное событие для химической отрасли вновь соберет на своей площадке ведущие компании, отраслевые научно-исследовательские…
03.10.2022
57
Повышение чистоты экструзионных матриц с помощью Claris 9346 MB
Повышение чистоты экструзионных матриц с помощью Claris 9346 MB
Инновационный продукт, который сокращает затраты и время на очистку экструзионных матриц.
Клаудио Бурато
03.11.2022
51
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
1529
Как стабилизаторы повышают долговечность?
Как стабилизаторы повышают долговечность?
Материалы, входящие в состав клеев и герметиков, зачастую должны быть защищены от разрушения с помощью…
Бенно Бликенсторфер
26.11.2020
157