آنتی فوم ها، ضد کف ها و دی فومر ها

آنتی فوم ها و دی فومر ها

مقدمه

پوشش‌های معمولی شامل رزین‌ها، رنگدانه‌ها و مواد افزودنی هستند که در حلال‌ مناسب دیسپرس شده‌اند. تبخیر حلال و تشکیل فیلم به طور همزمان پس از اعمال پوشش شروع می‌شود و به طور کلی رایج‌ترین حلال‌های مورد استفاده متیل اتیل کتون[1]، تولوئن[2]، زایلن[3] و … می‌باشند. استفاده از این حلال‌ها موجب بروز بیماری‌های جسمانی نظیر سوزش گلو، بینی، چشم، خواب آلودگی و … می‌شود.
اخیراً به دلیل تأثیرات منفی متنوع بر محیط زیست و سلامت انسان، قوانین سختگیرانه‌تری در صنایع پوششی برای کاهش میزان حلال‌های فرار خطرناک وضع شده است. دو رویکرد اصلی برای سازگاری پوشش‌ها با محیط‌زیست وجود دارد. راه اول استفاده از حلال‌هایی است که برای سلامتی انسان و محیط زیست خطرناک نیستند و همچنین استفاده از تجهیزاتی است که می‌توانند بخار خطرناک حاصل از پوشش را در حین اعمال جمع‌آوری کنند. روش دوم نیز ایجاد پوشش‌های بدون حلال، پوشش‌های با درصد جامد بالا و پایه آبی است.
امروز پوشش‌های پایه آبی بدلیل خواصی نظیر ترکیبات آلی فرار[4] (VOCs) اندک، بوی اندک، سمیت کم، اشتعال‌پذیری کم، هزینه تولید پایین و پرایمر مناسب بودن بدلیل مقاومت بالا در برابر سایش و گرما بسیار مورد توجه محققین و صنعت‌گران قرار گرفته‌اند. با وجود فواید گفته‌شده پوشش‌های پایه‌ آبی دارای مشکل ایجاد کف، در حین ساخت، بسته‌بندی و اعمال می‌باشند. از دلایل ایجاد کف می‌توان به ورود هوا از طریق فرآیندهای مکانیکی در طی اختلاط یا اعمال، جایگزینی هوا از سطح در طی فرآیند ترشوندگی یا پراکنش، تولید گاز توسط واکنش‌های شیمیایی و کف ناشی از خشک شدن سریع اشاره کرد. کف ایجاد شده سبب افزایش زمان آسیاب رنگدانه می‌شود و علاوه بر آن در عملیات پر کردن، فوم ایجاد شده اجازه نمی‌دهد وزن هر گالن به حداکثر مقدار خود برسد. وجود کف عیوب دیگری نیز نظیر از بین رفتن براقیت و ته‌سوزنی شدن[5] سطح نیز دارد که همین عیوب محققین را مجاب به یافتن راه‌حل‌هایی برای حل این مشکل کرد.
کنترل یا حذف کف‌ها که در بسیاری از فرآیندهای صنعتی رخ می‌دهد، عاملی حیاتی در عملکرد کارآمد محصول نهایی آنها است. بدین منظور می‌توان از افزودنی‌هایی استفاده کرد که از بروز این مشکل جلوگیری ‌می‌کنند. این دسته از افزودنی‌ها به منظور موثر بودن، در غلظت‌ها کم می‌بایست مورد استفاده قرار ‌گیرند. این مواد به نام‌هایی نظیر دی‌فومر[6]، آنتی‌فوم[7]، بازدارنده فوم[8]، مهارکننده فوم[9]، عامل آزاده کننده هوا[10] و عامل کنترل کننده فوم[11] شناخته می‌شوند. دی‌فومر به معنای شکستن و از بین بردن یک کف از قبل موجود است در حالی که آنتی‌فوم یا بازدارنده فوم نشان دهنده جلوگیری از تشکیل فوم است علاوه بر آن انتظار می‌رود که دی‌فومر از بین بردن سریع کف را سبب شود، این در حالیست که طول عمر عمل یکی از خواسته‌هایی است که با استفاده از آنتی فوم برآورده می‌شود.
نکته‌ی شایان توجه آن است که در بسیاری از کاربردها به هر دو عملکرد (پیشگیرانه و کنترلی) نیاز است و علاوه بر آن تنها برخی از مواد دارای هر دو خاصیت آنتی‌فومینگ و دی‌فومینگ هستند. البته باید متذکر شد که با استفاده از روش‌هایی نظیر اسپری کردن و سانتریفیوژ کردن[12] نیز می‌توان کف‌ها را کنترل کرد. بسیار مهم است که تأکید شود که آب خالص نمی‌تواند کف کند مگر اینکه یک ماده فعال سطحی در آن وجود داشته باشد. در واقع، هنگامی که یک حباب گاز به زیر سطح آب خالص وارد می‌شود، تقریباً بلافاصله می‌ترکد و گاز تخلیه می‌گردد. با این حال در محلول‌های رقیق[13] سرفکتنت از آنجایی که سطح مشترک هوا-مایع گسترش می‌یابد و تعادل در سطح مشترک مختل می‌شود، سبب می‌‌شود که احتمال شکستن حباب‌ها کاهش یابد. یک آزمایش ساده برای بررسی خلوص آب تکان دادن شدید نمونه در یک ظرف در بسته است. خلوص آب را می‌توان از زمان ماندگاری حباب تخمین زد و ماندگاری حباب حتی اگر یک ثانیه نیز باشد نشان دهنده وجود یک ناخالصی فعال سطح مانند گرد و غبار در آن است.
آنتی‌فوم‌ها و دی‌فومرها با اعمال برخی تغییرات فیزیکی، شیمیایی و یا مکانیکی در خواص سطحی مانند افزایش کشش سطحی، کاهش خاصیت ارتجاعی، کاهش ویسکوزیته سطح و یا تغییر در خواص الکترواستاتیک و … هدف استفاده از خود را برآورده می‌کنند.

مکانیزم‌های آنتی فومینگ و دی فومینگ

همانطور که گفته شد یکی از راه‌ها به منظور بازدارندگی از ایجاد فوم کاهش ویسکوزیته است. به منظور جلوگیری (بازدارندگی) از ایجاد فوم می‌توان از برخی از مواد شیمیایی استفاده کرد. برخی از مواد شیمیایی که موجب کاهش ویسکوزیته و افزایش زه‌کشی[14] می‌شوند، سبب کاهش پایداری کف می‌شوند. این دسته از مواد شیمیایی به دو طریق هدف استفاده از خود را برآورده می‌کنند

• کاهش ویسکوزیته بالک[15] و افزایش زه‌کشی
• کاهش ویکسوزیته سطح و الاستیسیته

در مورد دوم، الاستیسیته سطح بوسیله استفاده از یک ترکیب با ویسکوزیته کمتر از بین می‌رود. برای کاهش ویسکوزیته سطح و الاستیسیته می‌توان از سرفکتنت‌های با وزن مولکولی اندک به منظور کاهش کاهش پیوستگی[16] سطح استفاده کرد. علاوه بر آن، می‌توان از مقدار کمی از سرفکتنت‌ها غیر یونی نیز استفاده کرد که میزان تاثیر‌گذاری این دسته از سرفکتنت‌ها به ساختار مولکولی آنها وابسته است.
در صورتی که در سیستم مورد بررسی از یک سرفکتنت آنیونی به منظور پایدارسازی استفاده شده باشد می‌توان از یک گونه غیر آلی با بار مخالف (بار مثبت) استفاده کرد. علاوه بر نکات گفته شده، اشاره به این موضوع نیز خالی از لطف نیست که هیچ الزامی راجب محلول بودن یا نبودن آنتی‌فوم‌ها در سیستم وجود ندارد و آنها می‌توانند محلول یا غیر محلول در سیستم باشند.
استفاده از ذرات پراکنده در سیستم‌ که بصورت جزئی آب‌گریز هستند نیز می‌تواند به نوبه خود بر روی پایداری فوم‌ها موثر باشد. البته این موضوع به این معنی نیست که آنها همواره موجب ناپایداری فوم‌‌های ایجاد شده می‌شوند بلکه از یک طرف، اگر که آنها بطور کامل درون سیستم پراکنده شوند سبب افزایش ویسکوزیته بالک و در نتیجه پایداری فوم‌های ایجاد شده می‌شوند و از طرفی دیگر ذرات بزرگ‌تر که درجه‌ی آبگریزی بالاتری نیز دارند هنگام چسبیدن به سطح مشترک آبی سبب افزایش زاویه تماس شده و به این طریق کف را بی‌ثبات می‌کنند. بنابراین می‌توان اینگونه بیان کرد که ذرات پراکنده در سیستم‌ که به طور جزئی آب‌گریز هستند ممکن است موجب بی‌ثباتی کف‌ها شوند.
مورد دیگری نیز که در اوایل دهه 1950 به ثبت اختراع رسید اثر هم‌افزایی مخلوط ذرات آبگریز نامحلول و روغن‌های آبگریز است. پراکنه این مخلوط در آب در غلظت پایین بسیار موثر می‌باشد و بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. ذرات آبگریز می‌توانند سیلیس آبگریز و روغن نیز می‌تواند از خانواده روغن‌ هیدروکربنی پلی‌‌دی‌متیل سیلوکسان‌ها[17] باشد. دلیل این اثر هم‌افزایی نیز این می‌باشد که ضریب پخش روغن با افزودن ذره آبگریز اصلاح شده و به این طریق ذرات آبگریز به سطح مشترک روغن و آب چسبیده و سبب پارگی لایه‌های روغن-آب و در نهایت از بین رفتن کف می‌شوند. در این روش، روغن به عنوان دی‌فومر مورد استفاده قرار می‌گیرد و توسط ذرات جامد پر می‌شود. نکته‌ بسیار مهم این می‌باشد که میزان درصد جامد باید اندک باشد و دلیل این موضوع نیز این می‌باشد که در صورت اضافی بودن درصد جامد ویسکوزیته سیستم زیاد شده و جلوی از بین بردن فوم‌ها را می‌گیرد (راندمان روغن را پایین می‌آورد.). در مورد آبگریز بودن ذرات نیز می‌توان اینگونه گفت که ذره آبگریز قوی، بیش از حد با روغن سازگار است و کاملاً توسط آن خیس می‌شود این در حالیست که اگر ذره جامد بیش از حد آبدوست باشد، این خطر وجود دارد که آب بتواند آن را از قطره روغن خارج و به فاز آبی پوشش وارد کند.

آنتی‌فوم‌ها و دی‌فومرهای تجاری در پوشش‌های پایه آبی

تعدادی از دی‌فومر‌های مرسوم عبارتند از تری‌بوتیل فسفات، پلی دی‌متیل سیلوکسان، آمیدها، روغن‌ها معدنی و گیاهی، موم‌ها، مایعات سیلیکونی، اسیدهای چرب، استرها و نمک‌های اسید چرب آلومینیوم و روی. با وجود این طیف گسترده از دی‌فومرها وجود نظریه‌ها مختلف در نحوه‌ی عملکرد آنها کاملا بدیهی و منطقی است.
پلی‌ دی‌متیل سیلوکسان‌ها عاملی جهانی به عنوان آنتی‌فوم هستند. این دسته از مواد شیمیایی غیر فرار بوده و کشش سطحی بسیار کم و کشش بین سطحی پایینی در برابر آب دارند. کشش سطحی هیدروکربن‌های مایع معمولاً بین 25 تا 30 میلی نیوتن بر متر است و از آنجایی که سیلیکون‌ها کشش سطحی کمتری دارند، به راحتی می‌توانند وارد بستر هیدروکربنی شوند. علاوه بر این، این دسته از ترکیبات شیمیایی از نظر شیمیایی بی‌اثر، نامحلول در آب و چگالی آنها کمتر از آب و روغن‌های روان کننده است. آنها معمولاً در غلظت‌ها در محدوده 001/0 درصد وزنی یا کمتر، موثر هستند اما در مقایسه با سایر مواد آلی رایج بسیار گران می‌باشند. سایر پلیمرهای خاص مانند هیدروکربن‌ها پرفلورینه[18] نیز غیرفرار بوده و کشش سطحی کمی نیز دارند که همین موضوع امکان استفاده از آنها، به عنوان آنتی‌فوم را فراهم می‌کند.

شکستن فوم‌ها با استفاده از اولتراسونیک[19]

استفاده از مواد شیمیایی آنتی‌فوم یا دی‌فومر ممکن است محصول را آلوده کرده و باعث آلودگی اضافی آن شود. یک راه حل ممکن برای این حل این مشکل بدون ایجاد آلودگی اضافی استفاده از امواج ضربه‌ای ضعیف برای از بین بردن کف است. این ایده که منجر به زه‌کشی سریع‌تر و پارگی فیلم می‌شود ایده‌ی جدیدی نمی‌باشد و از راه‌حل‌ها ممکن برای از بین بردن کف بدون استفاده از مواد شیمیایی است. فرکانس مورد نیاز برای از بین بردن کف‌ها بدین روش 20-20000 هرتز می‌باشد.
محققین نشان دادند که هر چه توان مصرفی دستگاه اولتراسونیک بیشتر باشد، دستگاه مورد نظر در شکستن فوم‌ها موفق‌تر می‌باشد علاوه بر این مدت زمان اعمال اولتراسونیک نیز ارتباط مستقیم با از بین بردن فوم‌ها موجود در سیستم دارد.

توصیه‌ها کلی برای انتخاب دی‌فومر

• امولسیون‌های آکریلیکی

برای امولسیون‌های آکریلیکی بطور کلی از دی‌فومرهایی با آبگریزی کم تا نسبتا زیاد استفاده می‌شود. پلی‌سیلوکسان‌های اصلاح شده یا پلیمرهای بدون سیلیکون به دلیل حفظ براقیت و سازگاری خوب بطور گسترده‌ای به عنوان دی‌فومر در این دسته از سامانه‌های امولسیونی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• امولسیون‌ها استایرن آکریلیک

دی‌فومرها اصلی امولسیون‌ها استایرن آکریلیک دارای خاصیت آبگریزی متوسط تا بسیار قوی هستند. گریدهای مناسب برای امولسیون‌ها آکریلیک اغلب در رفع کف امولسیون‌ها استایرن اکریلیک کمتر موثر بوده و دی‌فومرها اصلی امولسیون استایرن اکریلیک دارای خاصیت آبگریزی متوسط تا بسیار قوی می‌باشند. بسته به کاربرد می‌توان از دی‌فومرها گوناگونی استفاده کرد؛ برای پوشش‌ها معماری، روغن‌های معدنی، طبیعی، مصنوعی و پلی‌سیلوکسان‌ها به عنوان دی‌فومر بسیار مناسب می‌باشند‌.

• پراکنه‌ها پلی‌یوراتان

دی‌فومرهایی با آبگریزی کم بهترین انتخاب برای پراکنه‌ها پلی‌یوراتانی هستند. پلی‌سیلوکسان‌ها اصلاح شده و یا پلیمرها بدون سیلیکون می‌توانند گزینه‌ها مناسبی به عنوان دی‌فومر برای اینگونه سامانه‌ها باشند.

کلام آخر

ساختار فوم همگن نبوده و بسته به محتوای هوا و ترکیب فاز مایع می‌تواند خواص بسیار متفاوتی داشته باشد. علاوه بر این، بسیاری از فوم‌ها در طول زمان، ساختار خود را تغییر می‌دهند و هیچ دستگاه دی‌‌فومر جهانی برای مبارزه با انواع فوم وجود ندارد. پیچیدگی فرمولاسیون پوشش اجازه نمی‌دهد مکانیسم‌ها کف‌زدایی به طور مستقیم در سیستم‌ها واقعی بررسی شود. حتی امروزه نیز جستجو برای بهترین دی‌فومر برای یک پوشش دیسپرس در آب تا حد زیادی به دانش تجربی وابسته است. معیارهای انتخاب مهم عبارتند از: شیمی سیستم بایندر، کاربری سیستم، غلظت حجمی رنگدانه و روش اعمال.

بخوانید: تکنولوژی فلوکینگ- بخش 2

مراجع

Karsa, D.R. (2003). Surfactants in Polymers, Coatings, Inks, and Adhesives (1st ed.). Blackwell. Doi: doi:10.1201/9780367812416
Florio, J.J., & Miller, D.J. (Eds.). (2002). Handbook Of Coating Additives (2nd ed.). CRC Press. doi: doi:10.1201/9781482276671

58. Heilen, “3 Defoaming of coating systems,” in Additives for Water-borne Coatings, Hannover, Germany: Vincentz Network, 2021, pp. 39–58. doi: doi:10.1515/9783748604884-004.
59. Javadi, A. Cobaj, and M. D. Soucek, Commercial waterborne coatings. Elsevier Inc., 2020. doi: 10.1016/b978-0-12-814201-1.00012-3.
60. Encyclopedia, C. Technology, and C. J. Wiley, “Defoamers 1.,” no. 1.
61. J. Pugh, “Foaming, foam films, antifoaming and defoaming,” Adv. Colloid Interface Sci., vol. 64, no. 95, pp. 67–142, 1996, doi: 10.1016/0001-8686(95)00280-4.

[1] Methyl ethyl ketone
[2] Toluene
[3] Xylene
[4] Volatic organic compounds
[5] Pinholing
[6] Defoamer
[7] Antifoam
[8] Foam inhibitor
[9] Foam supressants
[10] Air release agent
[11] Foam control agent
[12] Centrifuging
[13] Dilute surfectant
[14]  این واژه که ترجمه drainage است به معنای جریان یافتن مایع درون کف است که این اتفاق بسبب نیروی گرانش و یا پدیده‌ی مویینگی رخ می‌دهد
[15] Bulk
[16] Coherence
[17] Hydrocarbon oil of polydimethyl siloxanes
[18] Perfluorinated hydrocarbons
[19] Ultrasonic
موضوع
آنتی‌فوم‌ها و دی‌فومرها
استاد راهنما
دکتر منوچهر خراسانی
گردآورنده
علی رئیسی یکتا