ضد کف و ضد حباب چیست

کف در سیستم های پوششدهی می تواند مشکلات فراوانی را به وجود آورد. هنگام تهیه رنگ، یکی از دلایل اینکه ظرف واکنش نمیتواند به طور کامل پر شود کف است. این امر باعث می شود مرحله پر شدن با سرعت کمتری انجام گیرد. هنگام مصرف و یا پس از آن به دلایل زیادی کف، باعث ایجاد نقص در پوشش می کند (شکل 1). حبابهای سالم کف روی فیلم رنگ ظاهر می شوند (ب) اما اغلب بیشتر حبابها پیش تر شکسته شده و فقط حفره و یا سوراخهای ته سنجاقی باقی می ماند (ج، د، ه)، ممکن است حبابهای کف خیلی ریز باشند (کفهای میکرونی) و به سطح فیلم رنگ نرسند (الف). پوشش به نظر مطلوب می رسد، اما خواص مکانیکی و حفاظتی آن تضعیف می شود.

شکل 1- عیوب سطح مربوط به کف کردن الف)کف میکروبی ب)حباب سالم ج،د،ه)حفرات و سوراخهای ته سنجاقی.

شکل 2- کف با مولکولهای فعال کننده سطح (سورفاکتانتها) پایدار می شوند.

طبیعت کف

کفهای مایع ممکن است به صورت پاشش گاز (معمولا ٌ هوا) در یک مایع بیان شوند. یکی از خصوصیات مهم این گونه کفها، سطح مشترک بزرگ حبابهای گاز و فاز مایعی است که حبابها را از یکدیگر جدا نگه می دارد. هر مایع بنا به انرژی کشش سطحی و مستقل از ساختار شیمیایی تمایل دارد که این مساحت سطح (سطح مشترک با گاز) را تا حد امکان کوچک کند. بنابراین کف همیشه از فاز مایع بدون کف ناپایدارتر است و در واقع یک مایع خالص قادر به تشکیل کف پایدار نیست. از نظر فیزیکی کف حالت نیمه پایدار دارد و تنها به دلیل اثرات پایدارسازی وجود دارد.

این اثرات پایدارسازی از قرن هفدهم مورد مطالعه قرار گرفته، اما بیشتر مقالات، در زمینه مبانی نظری کف و ارتباط با کفهای آبی بود و فقط بخشی از نتایج می توانست به سیستمهای حلالی آلی مربوط شود.

مهمترین شرایط برای تهیه کف وجود مواد شیمیایی با سطح فعال (مواد فعال سطح) است که حاوی قسمتهای آب گریز و آبدوست در مولکول باشد (شکل 2). آنها به دلیل ساختار شیمیایی در سطح مشترک گاز-مایع جهت یافته و کشش سطحی را کاهش می دهند. کشش سطحی پایین باعث افزایش مساحت سطح و در نتیجه سهولت تشکیل کف می شود.

اثرات پایدار کنندگی و ناپایدار کنندگی کف

ساختار کفهای طول عمرشان تغییر می کند. کفهای کمی پس از تولید، حاوی مقدار نسبتا ً زیادی مایع می باشند. به این حالت «کف تر» یا «کف کردی» میگویند، به طوری که حبابها به وسیله مقدار نسبتا ٌ زیاد مایع از یکدیگر جدا شده و با یکدیگر برهم کنش ندارد. بر اثر عمل پیرسازی کف خشک شده و حبابها به یکدیگر نزدیک شده و شکل یکدیگر را از بین می برند.

شکل 3- خشک شدن کف (چپ) در مرحله نخست حبابهای هوا توسط مقادیر زیادی مایع محاصره می شوند. (راست) به دلیل خروج آب لایه های کف کم کم خشک شده و حبابها به یکدیگر نزدیک می شوند.

در این حالت «کف خشک» و «چند وجهی» است (شکل 3). پدیده خروجی آب تأثیر ناپایدارکنندگی دارد، زیرا لایه های کف نازک و نازک تر شده، به طوری که اگر ضخامت آن از A^o 100 کمتر شود کف سر انجام می شکند. اما پیش از رسیدن به این مرحله چندین اثر پایدارکنندگی مؤثرند. یکی از آنها به ساختار یونی مولکول فعال کننده سطح ارتباط دارد. تا زمانی که ضخامت لایه به اندازه کافی زیاد است مواد فعال کننده سطح که بر روی دو طرف لایه قرار دارند بر یکدیگر تأثیر ندارند. با خروج آب دو سطح مشترک لایه به یکدیگر نزدیک و نزدیکتر شده، (به دلیل خاصیت یونی مواد فعال کننده سطحی) و نتیجه آن دافعه الکترونی است، هنگامی ک بارهای الکتریکی ایجاد شده توسط مواد فعال کننده سطح بر یکدیگر تأثیر بگذارند. بدین وسیله از خشک شدن بیش از حد و از هم پاشیدن لایه ها ممانعت می شود (شکل 4).

علاوه بر این لایه کف دارای خاصیت کشسانی مکانیکی خاصی هستند (شکل 5). کشش لایه ها باعث کاهش غلظت ماده فعال کننده سطح در سطح مشترک می شود. زیرا پس از کشیده شدن همان تعداد ماده فعال کننده سطح باید سطح مشترک بزرگتری را بپوشانند. این باعث افزایش کشش سطحی می شود، بنابراین فیلم منقبض می شود. این نوع کشسانی فیلمها نازک به کشسانی گیبس معروف است.

شکل 4- پایدار شدن کف به دلیل دافعۀ الکتروستاتیکی مواد فعال کننده سطح روی لایه های کف.

شکل5- کشسانی گیبس لایه کف. اگر کف کشیده شود (پایین) باعث کاهش غلظت ماده فعال کننده سطح در مساحت کشیده شده می شود.

عملکرد ضد کف

ضد کفها موادی با کشش سطحی بسیار کمی هستند که باید سه شرط زیر را داشته باشند:

الف) آنها باید در محیطی که به عنوان کف شکن عمل می کنند نامحلول باشند.

ب) آنها باید دارای ضریب پخش مثبت باشند

ج) آنها باید دارای ضریب نفوذ مثبت باشند

ضرایب نفوذ، E و پخش، S بدین صورت تعریف شده اند:

با پخش شدن ضدکف در سطح مشترک، جایگزین مواد فعال کننده سطح و پایدارکننده کف شده و فیلم پایدار و کششان توسط فیلم ناپایدار با کشش سطح کم و نیروهای چسبندگی کمتر جایگزین می شوند.

شیمی ضدکف ها

ضد کف های مورد استفاده در پوشش های آبی

ضدکف مورد استفاده در سیستمهای آبی به صورت دو گروه اصلی وجود دارند: ضدکفهای بر پایه روغنهای معدنی و ضدکفهای سیلیکونی.

روغنهای معدنی حدود 80 الی 95 درصد، ضدکفهای بر پایه روغنهای معدنی را تشکیل می دهند. با وجود اینکه خود روغن خاصیت ضد کفی دارد، اما به طور کلی برای حمل مواد ضدکف –ذرات آب گریز- در لایه های کف به کار می رود. این ذرات آب گریز اساسا ً استئارات فلزی، مشتقات اسید چرب، سیلیس آب گریز و یا ترکیبات پلی اوره هستند. ذرات جامد روی سطح آب گریز ماده فعال کننده سطح در لایه کف تجمع کرده، بنابراین باعث ناپایداری حباب کف می شود. به منظور بهبود عملکرد ضدکفی، می توان مقدار کمی سیلیکون به کفهای بر پایه روغن معدنی اضافه کرد.

ضدکفهای سیلیکونی، روغنهای آب گریز سیلیکون مانند پلی دی متیل سیلوکسان یا پلی دی متیل سیلوکسان اصلاح شده با پلی اکسی پروپیلن هستند. ضدکف های سیلیکونی همچنین حاوی ذرات آب گریز مانند سیلیس یا استئارات فلزی می باشند. سیلیکونها به منظور سهولت الحاق به مواد رنگ غالبا ً به صورت امولسیون نگهداری می شوند.

ضدکف های مورد استفاده در پوشش های غیرآبی

پلی سیلوکسانها به مقدار وسیعی در سیستمهای پوششدهی بر پایه حلال به عنوان اساس ضدکف ها به کار می روند. ساختار پلی سیلوکسان اهمیت بسیار دارد. پلی سیلوکسانها با وزن مولکولی کم که عامل ضد لغزنده هستند، به عنوان پایدار کننده کف نیز به کار می روند. ضد کفی وپایدارکنندگی کف سیلوکسانها به سازگاری آنها با فاز مایع پوشش بستگی دارد. ناسازگاری مطلوب به روشهای مختلف حاصل می شود. پلی دی متیل سیلوکسان خالص، تنها با گرانروی 5000 الی mPas 50000 (که مستقیما ً به وزن مولکولی ارتباط دارد) ضدکف است. وزن مولکولی پایین منجر به پایدارسازی کف شده و ترکیبات با وزن مولکولی بالا، بسیار ناسازگار بوده و در پوشش حفره ایجاد می کنند. روش محتمل دیگری که بر سازگاری پلی سیلوکسان مؤثر است وارد کردن اصلاحگرهای آلی مانند زنجیرهای پلی اتر به مولکول است. هنگامی که زنجیرهای پلی اتر اضافه شوند پلی سیلوکسان آبدوست تر شده و در نتیجه با سیستمهای قطبی سازگارتر می شود.

سومین روش محتمل، استفاده از پلی متیل آلکیل سیلوکسان به جای پلی دی متیل سیلوکسان است (شکل 6).

شکل 6- پلی متیل آلکیل سیلوکسان اصلاح شده با پلی اتر

علاوه بر سیلیکونها، پلیمرهای دیگری نیز می توانند به عنوان کف شکن به کار روند، مادامی که آنها به اندازه کافی برای نفوذ به درون لایه های کف ناسازگار باشند. چندین نمونه ضدکف غیر سیلیکونی در مقیاس تجاری در دسترس هستند. بنابراین ناسازگاری برای مؤثر بودن ضدکف بسیار ضروری است. برای هر سیستم رنگ مناسب ترین ضد کف با مناسب ترین غلظت انتخاب می شود، به طوری که سیستم درجه بهینه ناسازگاری برای ضدکفی را دارا بوده و پوشش بدون وجود حفره و عیوب دیگر با این ناسازگاری ارتباط دارد.

معیارهای انتخاب و روش های آزمون

اولین معیار، تعیین درجه ضد کفی است. روشهای آزمون متعددی می تواند برای کنترل خواص ضدکفی ضدکف ها به کار رود. آسان ترین و سریع ترین آزمون، سنجش ضدکفی در چسباننده خالص است. بنابراین، این روشها می تواند سنجش اولیه به شمار روند زیرا فرمولبندی کامل رنگ حاوی اجزاء مختلفی است که می توانند بر پایداری کف تأثیر داشته باشند. از این رو، به طور قطع سنجش ضدکف نه تنها در رزین بلکه در فرمولبندی کامل ضروری است. علاوه بر این بستری که باید پوشش داده شود، همچنین روشهای عملکرد مورد استفاده نیز اهمیت دارند.

برای تشخیص تفاوتهای واضح بین نمونه کنترلی و نمونه های دارای ضدکفهای مختلف با مقادیر متفاوت، باید در سیستم رنگ هوا به طریق تکرارپذیر وارد شود. این عمل به کمک روشهای زیر عملی می شود:

الف) تکان دادن

ب) هم زدن با حلال

ج) وارد کردن هوا به وسیله پمپ

د)غلتک کاری با غلتک متخلخل.

سپس کنترل می شود که تا چه اندازه حبابهای هوا سریع شکسته و یا مقدار کف تولید شده کاهش می یابد. امکان دیگر مصرف ماده رنگی کف آلود در بستر و کنترل عیوب سطح است.

علاوه بر سنجش خواص ضدکفی، بلافاصله پس از وارد ساختن ضدکف آزمونهای پس از انبارداری به منظور تعیین فعال بودن ضدکف ضروری است. بنابراین کارایی بیشتر ضدکف پس از مدت معین از میان می رود و تفاوتهای بارزی پس از نگهداری رنگ در دمای 50 درجه سانتی گراد به مدت 4 هفته نمایان می شود. همچنین پایداری ضدکف باید آزمایش شود، به ویژه ضدکفهایی که حاوی ذرات آب گریز بوده و هنگام نگهداری ممکن است جدا شوند.

ضد کفها هنگامی که در فاز مایع نامحلول باشند مؤثرند، آنها ضدکف بوده و دارای مرتبه خاصی از ناسازگاری هستند. این ناسازگاری ممکن است باعث بروز اثرات جانبی از جمله کاهش براقیت، کدورت لاک الکلهای شفاف، ایجاد حفره، از بین رفتن چسبندگی داخلی شوند. انتخاب ضدکف مناسب به منزله کاهش اثرات جانبی است.