تفاعلات العوامل الفاعلة بالسطح ومضادات الرغوة في صياغة الطلاءات

---

في الصياغة المائية، تعمل العوامل الفاعلة بالسطح ومضادات الرغوة ضد بعضها بحكم التصميم. فعوامل الترطيب والمشتتات والمستحلبات تثبت السطح البيني بين الهواء والسائل، بينما يجب على مضاد الرغوة أن يدخل ذلك السطح وأن يزعزع استقراره، وأن يفعل ذلك دون أن يترك تجاويف أو ضبابية أو فقدان لمعان. والنتيجة تعتمد على سلوك الدخول والانتشار، وعلى عدم التوافق المضبوط بين مضاد الرغوة والوسط، وعلى نقطة الإضافة، وعلى القص المطبق. وتعرض هذه المقالة الآليات، والنتائج العملية للطلاءات واللاصقات والأحبار، ومقاربة تأهيل تقلل التجربة والخطأ.

الخلاصة السريعة

• العوامل الفاعلة بالسطح تثبت صفائح الرغوة؛ وعلى مضادات الرغوة أن تدخل تلك الأغشية نفسها وتنتشر عليها، لذا فإن كل عامل فاعل بالسطح يُضاف إلى الصياغة يغيّر الطلب على مضاد الرغوة.
• يحتاج مضاد الرغوة إلى عدم توافق انتقائي: فإن كان شديد الذوبان صار غير فعّال، وإن كان شديد عدم الذوبان سبب تجاويف وعيون سمك وزحفاً.
• الرغوة الكبيرة والرغوة الدقيقة تحتاجان استراتيجيتين مختلفتين، والرغوة الدقيقة تتطلب عادةً حوامل أقل لزوجة ومعاملات دخول وانتشار جيدة.
• نقطة الإضافة والقص لا تقل أهمية عن الكيمياء: فمضادات الرغوة المحتوية على السيليكا الكارهة للماء والشموع تنتمي عادةً إلى قاعدة الطحن.
• لا يوجد مضاد رغوة عالمي؛ وينبغي إجراء التأهيل في الصياغة الفعلية، بسلالم جرعات وتقييم للعيوب.

جدول المحتويات

• لماذا تتعارض العوامل الفاعلة بالسطح مع مضادات الرغوة
• مما يتكوّن مضاد الرغوة، ولماذا يهم ذلك
• الآلية: الدخول والانتشار وحاجز الدخول
• التضاد والتآزر بين العوامل الفاعلة بالسطح
• عدم التوافق الانتقائي: مبدأ التصميم المركزي
• الرغوة الكبيرة والرغوة الدقيقة تستجيبان بشكل مختلف
• نقطة الإضافة والقص
• استخدام معاملات الذوبانية لتقليل زمن الفرز
• بروتوكول تأهيل للأنظمة الغنية بالعوامل الفاعلة بالسطح
• الكيمياء السيليكونية وغير السيليكونية
• وجهة نظر: كيف نتعامل مع توازن العامل الفاعل بالسطح ومضاد الرغوة
• مضادات الرغوة والمشتتات من Astra Chemical
• الأسئلة الشائعة
• المصادر

لماذا تتعارض العوامل الفاعلة بالسطح مع مضادات الرغوة

تكون فقاعات الرغوة مستقرة فقط عندما توجد مواد مثبتة للرغوة في الطور السائل، وبوجه عام يمكن لأي مادة نشطة بينياً أن تثبت الرغوة، كما توضح المراجعة مضادات الرغوة في صناعة الطلاءات. وفي السوائل النقية، تصعد الفقاعات وتنفجر عند السطح دون تكوين رغوة مستمرة، ولهذا تبدأ أدبيات طرق اختبار إزالة الرغوة من محركات تكوّن الرغوة وزعزعة استقرارها.

الطلاء المائي الحديث نظام غني بالعوامل الفاعلة بالسطح. وتلاحظ أعمال اختيار مضاد الرغوة المنشورة في Journal of Coatings Technology أن مشكلات الرغوة في الأنظمة المائية تنشأ في الإنتاج كما في التطبيق، وأن عوامل الاستحلاب وعوامل الترطيب والمشتتات تُصاغ غالباً في الطلاءات لتحقيق آثار محددة. وكل من هذه المضافات يُمتزّ عند السطح البيني بين الهواء والسائل، ويخفض التوتر السطحي، ويُدخل المرونة في الصفيحة. وتلك المرونة هي الخاصية التي تتيح لغشاء رقيق مقاومة التمزق، وهي الخاصية التي يجب على مضاد الرغوة التغلب عليها.

والنتيجة العملية هي أن العامل الفاعل بالسطح ومضاد الرغوة لا يمكن اختيارهما باستقلال. فتغيير في الصياغة يبدو غير ذي صلة بالرغوة، مثل تغيير مشتت الصبغة أو رفع مستوى عامل الترطيب لتحسين ترطيب الركيزة، يمكن أن يزيح توازن الرغوة والطلب على مضاد الرغوة في الوقت نفسه.

من أين تأتي العوامل الفاعلة بالسطح

تدخل العوامل الفاعلة بالسطح إلى الطلاء أو اللاصق من عدة اتجاهات، وينبغي إحصاء كل مصدر عندما تظهر الرغوة:

• مستحلب البوليمر: يحمل اللاتكس حزمة المستحلبات المستخدمة أثناء بلمرة المستحلب، كما ورد في تغطية PCI Magazine للرغوة الكبيرة والدقيقة، والتي تسرد حزم العوامل الفاعلة بالسطح في نظام البوليمر بين العوامل المسهمة في الرغوة.
• مشتتات الصبغة وعوامل الترطيب: تُضاف في مرحلة الطحن لتثبيت الصبغة وخفض التوتر السطحي على الركائز الصعبة.
• المضافات الوظيفية: معدّلات اللزوجة، وعوامل الانزلاق والتسوية، ومضافات ترطيب الركيزة، وكلها نشطة سطحياً بذاتها.
• مضاد الرغوة نفسه: فمضادات الرغوة التجارية ليست خالية من العوامل الفاعلة بالسطح، كما يوضح القسم التالي.

مما يتكوّن مضاد الرغوة، ولماذا يهم ذلك

مضادات الرغوة أنظمة معقدة. ووفقاً لـأدبيات طرق الاختبار، فإنها تتكون عموماً من سوائل حاملة مثل الغليكولات أو الزيوت المعدنية والسيليكونية، ومن مستحلبات وعوامل ترطيب، ومن مكوّنات فعّالة مثل المواد الصلبة الكارهة للماء أو السيليكونات المعدلة أو الأحماض الدهنية. والحامل ينقل الجسيمات الكارهة للماء إلى صفيحة الرغوة حيث تزعزع استقرار السطح البيني، بينما يضبط المستحلب معدل سرعة تشتت مضاد الرغوة في الطور المائي.

وهذا التركيب يعني أن التفاعل ليس فقط بين مضاد الرغوة والعوامل الفاعلة بالسطح في الصياغة. فالمستحلب داخل مضاد الرغوة ينافس العوامل الفاعلة بالسطح الموجودة أصلاً ويتأثر بها. ومضاد الرغوة شديد الاستحلاب يشتت بسرعة ويبقى أطول لكنه قد يكون أقل نشاطاً عند السطح البيني. وأما ضعيف الاستحلاب فهو أنشط في البداية لكنه قد يكون أقل استقراراً في التخزين وأكثر ترجيحاً لإنتاج عيوب سطحية.

الآلية: الدخول والانتشار وحاجز الدخول

تُلخَّص المعايير الكلاسيكية لمضاد الرغوة الفعّال في مراجعة Chimia لمضادات الرغوة في صناعة الطلاءات: فمضاد الرغوة سائل منخفض التوتر السطحي، وغير قابل للذوبان في الوسط المطلوب إزالة رغوته، وله معامل دخول موجب ومعامل انتشار موجب. فعدم الذوبان يبقي الطور الفعّال متاحاً كقطيرات. ومعامل الدخول الموجب يتيح لقطيرة أن تخترق سطح الهواء/السائل. ومعامل الانتشار الموجب يتيح لها أن تنتشر عبر الغشاء وترققه موضعياً حتى يمزقه.

والعوامل الفاعلة بالسطح تعقّد كل خطوة من هذه الخطوات. فطبقات العامل الفاعل بالسطح الممتزة ترفع المقاومة التي تلاقيها القطيرة عند محاولة جسر الغشاء. وتصف مراجعة آليات تدمير الرغوة بمضادات الرغوة الزيتية ذلك بحاجز الدخول: فمضادات الرغوة سريعة المفعول لها حاجز منخفض وتمزق الأغشية بسرعة، بينما تبقى البطيئة أو غير الفعّالة محتجزة في حدود بلاتو حتى يضغطها التصريف بما يكفي للدخول إلى السطح. ويشجع العمل نفسه المصيغين على الحكم على المضافات بهذه العوامل الحركية لا بقياسات الخصائص الساكنة وحدها.

وينتج عن ذلك قراءتان عمليتان:

1. مضاد رغوة يؤدي جيداً في نظام نموذجي ضعيف التثبيت بالعوامل الفاعلة بالسطح قد يفشل في صياغة إنتاجية عالية المحتوى منها، لأن حاجز الدخول أعلى.
2. مضادات الرغوة ذات الجسيمات الكارهة للماء، مثل السيليكا الكارهة للماء، تميل إلى خفض حاجز الدخول مقارنةً بالزيت وحده، وهذا أحد أسباب شيوع استخدام أنظمة الزيت مع الجسيمات.

التضاد والتآزر بين العوامل الفاعلة بالسطح

الأنظمة المختلطة من العوامل الفاعلة بالسطح لا تسلك سلوكاً جمعياً. ودراسة من 2022 عن العوامل الفاعلة بالسطح المختلطة وتثبيت الرغوة ليست مصدر هذه النقطة؛ فالملاحظة ذات الصلة من أدبيات الرغوة التي ظهرت في نتائج البحث الحالية هي أن العوامل الفاعلة بالسطح المختلطة قد تُظهر آثاراً تضادية أو تآزرية عند السطح البيني بين الهواء والسائل، فإما تثبت الرغوة أو تدمرها. والأثر على المصيغ مباشر: فاستبدال عامل ترطيب بآخر، أو الجمع بين مشتت ومضاف تسوية، قد يُنتج استجابة رغوة لا يمكن التنبؤ بها من المكوّنات المنفردة.

عدم التوافق الانتقائي: مبدأ التصميم المركزي

جوهر ضبط الرغوة الصناعي هو عدم التوافق الانتقائي، وهي نقطة أُثيرت في مراجعة مضادات الرغوة للطلاءات. فمضاد الرغوة شديد التوافق يذوب في الطور الكتلي ويصبح غير فعّال كعامل لضبط الرغوة. وأما شديد عدم التوافق فيُنتج عيوباً سطحية مثل التجاويف وعيون السمك والزحف. ويتعامل الممارسون مع ذلك بتكييف مضاد الرغوة مع قطبية النظام، باستخدام مضادات رغوة محبة للماء للأنظمة منخفضة القطبية وكارهة للماء للأنظمة عالية القطبية أو عالية القص، بحيث يهاجر مضاد الرغوة إلى السطح البيني بين الهواء والسائل دون إضرار بالغشاء.

والعوامل الفاعلة بالسطح تزيح هذا التوازن. فالحمل الأعلى منها يُذيب قدراً أكبر من مضاد الرغوة في الميسيلات وفي الطور المائي، فيرفع توافقه فعلياً ويخفض نشاطه. وعلى العكس، نظام منخفض المحتوى منها يترك مضاد الرغوة أكثر عدم توافق من المقصود، ما يرفع خطر العيوب. ولذلك يمكن أن يكون مضاد الرغوة نفسه ضعيفاً جداً في صياغة وعدوانياً جداً في أخرى.

أنماط الفشل النموذجية

الرغوة الكبيرة والرغوة الدقيقة تستجيبان بشكل مختلف

تفرّق مقالة PCI Magazine عن الرغوة الكبيرة والدقيقة في الأنظمة المائية منخفضة المركبات العضوية المتطايرة بين النوعين. فالرغوة الكبيرة تُعالج عادةً بمضادات رغوة نشطة سطحياً تزعزع استقرار الصفيحة عند التلامس. أما الرغوة الدقيقة، بفقاعات تناهز 10 إلى 100 µm، فتبقى محتجزة في الغشاء السائل لأن نصف قطرها الصغير يحد من قوة الطفو، كما يصف قانون ستوكس. وإزالتها تتطلب مضافات ذات معاملات دخول وانتشار لازمة لاختراق هذه الفقاعات الدقيقة، وغالباً بحوامل أقل لزوجة تصل إلى الصفيحة بفعالية أكبر.

وفي الأنظمة الغنية بالعوامل الفاعلة بالسطح يكون التمييز وثيق الصلة. فالمستويات العالية منها تولّد فقاعات دقيقة ومستقرة أثناء التطبيق بالأسطوانة أو بالرشّ، وقد تُحتجز هذه الفقاعات مع تصليد الغشاء. ومضاد رغوة مختار على أساس إسقاط الرغوة الكبيرة في اختبار مخبري فقط قد يترك ثقوباً إبرية وفقاعات دقيقة في الغشاء الجاف.

نقطة الإضافة والقص

التفاعل مادي أيضاً. فدراسة Journal of Coatings Technology عن اختيار مضادات الرغوة المائية تُظهر أن مضادات الرغوة غير المتوافقة، خاصةً المحتوية على السيليكا الكارهة للماء أو الشموع، يجب أن تُضاف غالباً في مرحلة قاعدة الطحن لضمان توزيع متجانس. وعندما تُضاف في مرحلة التخفيف بقص غير كافٍ، يبقى مضاد الرغوة مركّزاً موضعياً، ما يُنتج عيوباً سطحية في كثير من الأحيان حتى عندما تكون الكيمياء صحيحة. والجرعة ونقطة الإضافة تُعدَّلان عادةً معاً لموازنة كفاءة إزالة الرغوة مقابل خطر انخفاض اللمعان أو الضبابية.

وهناك تقسيم عملي مستخدم في كثير من روتينات الإنتاج المائي:

• مرحلة الطحن: يُضاف مضاد رغوة لكبت الرغوة أثناء التشتيت، حيث تولّد عوامل الترطيب والمشتتات أكبر قدر من الرغوة تحت القص العالي. ونوع أكثر عدم توافق يكون مقبولاً هنا في كثير من الأحيان لأن القص سيوزعه.
• مرحلة التخفيف: يُستخدم مضاد رغوة أكثر توافقاً أو مضاف بعدي لضبط الرغوة الناتجة عن المستحلب وعن الخلط منخفض القص، ولمعالجة الرغوة عند التعبئة أو التطبيق.

وتقسيم الجرعة بين المرحلتين يعطي نتائج أفضل في كثير من الأحيان من إضافة واحدة أكبر.

استخدام معاملات الذوبانية لتقليل زمن الفرز

الاختيار بالتجربة والخطأ بطيء. وقد طبّقت أبحاث نُشرت في 2020 بقلم يوكي كاتو وزملائه معاملات ذوبانية هانسن لمطابقة ألفة عامل مضاد للرغوة مع العوامل الفاعلة بالسطح الرئيسية المولّدة للرغوة، وأبلغت عن ارتباطات بين 0.860 و0.953، وطرحت الطريقة كوسيلة لتقليل التجربة والخطأ المستهلكة للوقت. ولا تحل HSP محل التأهيل المخبري، لكنها يمكن أن تضيّق قائمة المرشحين قبل بدء اختبار ارتفاع الرغوة والعيوب.

بروتوكول تأهيل للأنظمة الغنية بالعوامل الفاعلة بالسطح

يحدّ التسلسل التالي من عدد المتغيرات المتغيرة في وقت واحد ويُبقي آثار العوامل الفاعلة بالسطح مرئية:

1. ثبّت حزمة العوامل الفاعلة بالسطح. أهّل مضاد الرغوة بعد أن تُحسم خيارات المشتت وعامل الترطيب ومعدّل اللزوجة، أو أعد الفرز كلما تغيّر أحدها.
2. افرز سلّم جرعات. اختبر ثلاثة مستويات على الأقل، مثلاً منخفض ومتوسط ومرتفع ضمن المدى الموصى به من المورّد، لا جرعة واحدة.
3. اختبر عند نقطتي إضافة. قارن قاعدة الطحن بمرحلة التخفيف، وبإضافة مقسّمة.
4. قس حركية الرغوة. سجّل إسقاط الرغوة الأولي واستمرارية الرغوة مع الزمن، بطريقة ذات صلة بالعملية (خلط عالي القص، تطبيق بالأسطوانة، رشّ، أو تدوير بالمضخة).
5. قيّم عيوب الغشاء. اسحب على الركيزة الفعلية بسماكة غشاء الإنتاج؛ وافحص التجاويف وعيون السمك والثقوب الإبرية والضبابية واللمعان عند 20° أو 60° أو 85° حسب الاقتضاء.
6. أجرِ التقادم. خزّن المنتج النهائي، بما في ذلك التقادم الحراري، وأعد اختبار الرغوة والعيوب، لأن توازن مضاد الرغوة والعامل الفاعل بالسطح يتغير مع ذوبان مضاد الرغوة أو انفصاله.
7. افحص الخصائص اللاحقة. الالتصاق البيني، وإعادة الطلاء، ومقاومة الماء، وفي اللاصقات قوة اللصق.

وتعزز مناقشة PCI Magazine لمضافات ضبط الرغوة المتطورة سبب ضرورة ذلك: فالاعتقاد بمضاد رغوة واحد عالمي مفهوم خاطئ، لأن التوازن بين ضبط الرغوة وجماليات السطح يعتمد على عوامل مثل تركيز حجم الصبغة، ومذيبات الاندماج، ومسامية الركيزة، وهي التي تقود عيوباً مثل الضبابية والتجاويف وعدم التبلل.

الكيمياء السيليكونية وغير السيليكونية

غالباً ما يُصاغ الاختيار بين مضادات الرغوة السيليكونية وغير السيليكونية على أساس تفاعل العوامل الفاعلة بالسطح وخطر العيوب معاً. فالمواد الفعّالة السيليكونية عالية الفعالية عند جرعة منخفضة ولها توتر سطحي منخفض، ما يعطي انتشاراً قوياً، لكنها قد تُنشئ تجاويف ومشكلات إعادة طلاء عند سوء التشتيت. والكيمياء غير السيليكونية، مثل أنواع الزيت المعدني أو البوليمر العضوي، تُختار في كثير من الأحيان حيث تنطبق متطلبات إعادة الطلاء أو الالتصاق البيني أو الخلو من السيليكون. ولا فئة أفضل بطبيعتها؛ فالخيار الأفضل يعتمد على نظام العوامل الفاعلة بالسطح والقطبية والقص والاستخدام النهائي. وتورّد Astra Chemical مضادات الرغوة السيليكونية وغير السيليكونية، بحيث يمكن إجراء المقارنة داخل مجموعة مورّد واحد ومجموعة وثائق واحدة.

وجهة نظر: كيف نتعامل مع توازن العامل الفاعل بالسطح ومضاد الرغوة

خبرتنا مع صياغات العملاء هي أن الرغوة نادراً ما تنشأ من مضاف واحد. فهي تنشأ من كامل جرد العوامل الفاعلة بالسطح، ولذا فإن اختيار مضاد الرغوة مسألة نظام لا مسألة منتج. نبدأ من الصياغة: نوع البوليمر، ومستويات المشتت وعامل الترطيب، ومعدّل اللزوجة، وقص العملية، وخصائص الغشاء المستهدفة. وبعد ذلك فقط نقترح مضادات رغوة مرشحة، ونفعل ذلك بعلم أن الجرعة المثلى أقل في كثير من الأحيان مما يُفترض أولاً عندما تكون نقطة الإضافة صحيحة.

كما نتعامل مع تحسين الجرعة كجزء من المنتج لا كفكرة لاحقة. فمضاد الرغوة المستخدم عند الحد الأدنى الفعّال يقلل خطر التجاويف والضبابية ويخفض تكلفة الاستخدام الإجمالية، وهي في رأينا الأساس الصحيح لمقارنة المضافات، لا السعر لكل كيلوغرام. والتأهيل المدعوم مخبرياً واتساق الدفعات والوثائق الكاملة تتيح للمصيغ الانتقال من التجربة إلى الإنتاج بعدد أقل من التكرارات.

— Astra R&D Team

مضادات الرغوة والمشتتات من Astra Chemical

يمكن للمصيغين الذين يعملون على أسئلة العوامل الفاعلة بالسطح ومضادات الرغوة مراجعة مجموعة منتجات Astra Chemical الكاملة، بما في ذلك خطّا مضادات الرغوة ASTRA DF وASTRA DF NS وخط المشتتات ASTRA DISP. والدعم الفني وإرشاد الصياغة المخصص متاحان للطلاءات واللاصقات والأحبار والبوليمرات والمواد المركبة، ويمكن ترتيب طلبات العينات عبر موقع Astra Chemical. والأسعار غير منشورة وتُقدَّم عند الطلب.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن استخدام عامل فاعل بالسطح ومضاد رغوة في الصياغة نفسها؟

نعم، ومعظم المنتجات المائية تحتوي على الاثنين. فالعامل الفاعل بالسطح يوفر الترطيب أو التشتيت أو الاستحلاب، بينما يُختار مضاد الرغوة لضبط الرغوة التي تُنشئها تلك المكوّنات. ويجب تأهيل الاثنين معاً، لأن مستوى العامل الفاعل بالسطح يغيّر مقدار ما يُذاب من مضاد الرغوة ومدى سهولة دخوله إلى غشاء الرغوة.

ما مساوئ مضادات الرغوة؟

المخاطر الرئيسية هي العيوب السطحية، أي التجاويف وعيون السمك والزحف والضبابية وفقدان اللمعان، عندما يكون مضاد الرغوة شديد عدم التوافق أو سيئ التشتيت. كما أن الجرعة الزائدة قد تزيد استمرارية الرغوة أو تؤثر في إعادة الطلاء. وتُدار هذه المخاطر بسلالم الجرعات ونقطة الإضافة الصحيحة والاختبار في الصياغة الحقيقية.

ما المكوّن الرئيسي في مضاد الرغوة؟

لا يوجد مكوّن واحد. ووفقاً لـأدبيات طرق الاختبار، تجمع مضادات الرغوة بين سائل حامل مثل الغليكول أو الزيت المعدني أو الزيت السيليكوني، ومستحلبات، ومكوّنات فعّالة مثل السيليكا الكارهة للماء أو السيليكونات المعدلة أو الأحماض الدهنية. والمكوّن الفعّال هو ما يمزق غشاء الرغوة، والحامل والمستحلب يحكمان طريقة إيصاله.

هل يعمل سائل غسل الأطباق كمضاد رغوة؟

لا. فسائل غسل الأطباق يعتمد على عوامل فاعلة بالسطح مثل كبريتات لوريل الصوديوم وكبريتات لوريث الصوديوم وأكسيد ألكيل ثنائي ميثيل الأمين لتنظيف الشحم، والرغوة التي ينتجها جزء من وظيفته. والعوامل الفاعلة بالسطح من هذا النوع تثبت الرغوة بدلاً من كبتها.

لماذا تعود الرغوة بعد أن يعمل مضاد الرغوة في البداية؟

الأسباب الشائعة هي ذوبان مضاد الرغوة أو استهلاكه بنظام العوامل الفاعلة بالسطح، أو امتزازه على الصبغة، أو حاجز دخول يرتفع مع تراكم العامل الفاعل بالسطح عند أسطح بينية جديدة. ومراجعة الجرعة ونقطة الإضافة وقطبية مضاد الرغوة تحل ذلك عادةً، مع إضافة مقسّمة بين قاعدة الطحن ومرحلة التخفيف كعلاج متكرر.

المصادر

• مضادات الرغوة في صناعة الطلاءات، CHIMIA (doi 10.2533/000942902777680478)
• مضادات الرغوة في صناعة الطلاءات، النص الكامل من CHIMIA
• طرق اختبار إزالة الرغوة، الجمعية الأمريكية للطلاءات
• اختيار مضاد الرغوة في الأنظمة المائية، Journal of Coatings Technology
• آليات مكافحة الرغوة الكبيرة والدقيقة في الأنظمة المائية منخفضة المركبات العضوية المتطايرة، PCI Magazine
• مضافات ضبط الرغوة المتطورة، PCI Magazine
• آليات تدمير الرغوة بمضادات الرغوة الزيتية، Langmuir
• معاملات ذوبانية هانسن لاختيار مضاد الرغوة، PMC
• مكوّنات سائل غسل الأطباق Dawn