Interactions entre tensioactifs et antimousses en formulation de revêtements

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Dans une formulation aqueuse, les tensioactifs et les antimousses travaillent les uns contre les autres par conception. Les agents mouillants, dispersants et émulsifiants stabilisent l'interface air/liquide, tandis que l'antimousse doit pénétrer cette interface et la déstabiliser, et il doit le faire sans laisser de cratères, de voile ni de perte de brillant. Le résultat dépend du comportement d'entrée et d'étalement, de l'incompatibilité contrôlée de l'antimousse avec le milieu, du point d'ajout et du cisaillement appliqué. Cet article expose les mécanismes, les conséquences pratiques pour les revêtements, adhésifs et encres, et une approche de qualification qui réduit les essais par tâtonnement.

L'essentiel

• Les tensioactifs stabilisent les lamelles de mousse ; les antimousses doivent pénétrer ces mêmes films et s'y étaler, si bien que chaque tensioactif ajouté à une formulation modifie le besoin en antimousse.
• Un antimousse a besoin d'une incompatibilité sélective : trop soluble, il est inactif ; trop insoluble, il provoque des cratères, des fisheyes et de la reptation.
• La macro-mousse et la micro-mousse exigent des stratégies différentes, et la micro-mousse appelle généralement des véhicules moins visqueux ainsi que de bons coefficients d'entrée et d'étalement.
• Le point d'ajout et le cisaillement comptent autant que la chimie : les antimousses à silice hydrophobe et à cire s'incorporent généralement à la pâte de broyage.
• Il n'existe pas d'antimousse universel ; la qualification doit être menée dans la formulation réelle, avec des escaliers de dosage et une évaluation des défauts.

Table des matières

• Pourquoi tensioactifs et antimousses sont en conflit
• Ce que contient un antimousse, et pourquoi cela compte
• Mécanisme : entrée, étalement et barrière d'entrée
• Antagonisme et synergie entre tensioactifs
• Incompatibilité sélective : le principe de conception central
• Macro-mousse et micro-mousse réagissent différemment
• Point d'ajout et cisaillement
• Utiliser les paramètres de solubilité pour réduire le temps de criblage
• Protocole de qualification pour les systèmes riches en tensioactifs
• Chimies siliconées et sans silicone
• Point de vue : notre approche de l'équilibre tensioactif-antimousse
• Antimousses et dispersants d'Astra Chemical
• FAQ
• Sources

Pourquoi tensioactifs et antimousses sont en conflit

Les bulles de mousse ne sont stables que lorsque des substances stabilisantes sont présentes dans la phase liquide, et d'une manière générale toute substance interfaciale active peut stabiliser la mousse, comme l'explique la revue Defoamers in the Coatings Industry. Dans les liquides purs, les bulles montent et éclatent à la surface sans former de mousse persistante, ce qui explique pourquoi la littérature sur les méthodes d'essai d'antimousse part des facteurs de formation et de déstabilisation de la mousse.

Un revêtement aqueux moderne est un système riche en tensioactifs. Des travaux de sélection d'antimousses publiés dans le Journal of Coatings Technology notent que les problèmes de mousse en systèmes aqueux surviennent en production comme à l'application, et que les émulsifiants, agents mouillants et dispersants sont souvent formulés dans les revêtements pour obtenir des effets précis. Chacun de ces additifs s'adsorbe à l'interface air/liquide, abaisse la tension superficielle et introduit de l'élasticité dans la lamelle. Cette élasticité est la propriété qui permet à un film mince de résister à la rupture, et c'est celle que l'antimousse doit vaincre.

La conséquence pratique est que tensioactif et antimousse ne peuvent pas être choisis indépendamment. Un changement de formulation apparemment sans rapport avec la mousse, comme le remplacement du dispersant pigmentaire ou l'augmentation du taux d'agent mouillant pour améliorer le mouillage du support, peut déplacer l'équilibre de la mousse et le besoin en antimousse en même temps.

D'où viennent les tensioactifs

Les tensioactifs entrent dans un revêtement ou un adhésif par plusieurs voies, et chaque source doit être prise en compte lorsque la mousse apparaît :

• Émulsion de polymère : le latex porte le système d'émulsifiants utilisé lors de la polymérisation en émulsion, comme le note la couverture par PCI Magazine de la macro et de la micro-mousse, qui cite les systèmes de tensioactifs du système polymère parmi les facteurs contribuant à la mousse.
• Dispersants pigmentaires et agents mouillants : ajoutés à l'étape de broyage pour stabiliser le pigment et abaisser la tension superficielle sur les supports difficiles.
• Additifs fonctionnels : modificateurs rhéologiques, agents de glissement et de nivellement, et additifs mouillants pour support qui sont eux-mêmes tensioactifs.
• L'antimousse lui-même : les antimousses commerciaux ne sont pas exempts de tensioactifs, comme le montre la section suivante.

Ce que contient un antimousse, et pourquoi cela compte

Les antimousses sont des systèmes complexes. Selon la littérature sur les méthodes d'essai, ils sont généralement composés de liquides véhicules tels que des glycols ou des huiles minérales et siliconées, d'émulsifiants et d'agents mouillants, et de composants actifs tels que des solides hydrophobes, des silicones modifiées ou des acides gras. Le véhicule transporte les particules hydrophobes vers la lamelle de mousse, où elles déstabilisent l'interface, tandis que l'émulsifiant contrôle la vitesse à laquelle l'antimousse se disperse dans la phase aqueuse.

Cette composition signifie que l'interaction ne se limite pas à celle d'un antimousse avec les tensioactifs de la formulation. L'émulsifiant contenu dans l'antimousse entre en concurrence avec les tensioactifs déjà présents et subit leur influence. Un antimousse fortement émulsionné se disperse rapidement et persiste plus longtemps mais peut être moins actif à l'interface. Un antimousse faiblement émulsionné est plus actif au départ mais peut être moins stable au stockage et plus susceptible de produire des défauts de surface.

Mécanisme : entrée, étalement et barrière d'entrée

Les critères classiques d'un antimousse fonctionnel sont résumés dans la revue Chimia sur les antimousses dans l'industrie des revêtements : l'antimousse est un liquide à faible tension superficielle, il est insoluble dans le milieu à démousser, et il présente un coefficient de pénétration positif et un coefficient d'étalement positif. L'insolubilité maintient la phase active disponible sous forme de gouttelettes. Un coefficient de pénétration positif permet à une gouttelette de franchir la surface air/liquide. Un coefficient d'étalement positif lui permet de s'étaler sur le film et de l'amincir localement jusqu'à la rupture.

Les tensioactifs compliquent chacune de ces étapes. Les couches de tensioactif adsorbées augmentent la résistance que rencontre une gouttelette lorsqu'elle tente de ponter le film. La revue Mechanisms of Foam Destruction by Oil-Based Antifoams décrit cela comme la barrière d'entrée : les antimousses à action rapide ont une barrière basse et rompent les films rapidement, tandis que les antimousses lents ou inefficaces restent piégés dans les bordures de Plateau jusqu'à ce que le drainage les comprime suffisamment pour pénétrer dans la surface. Les mêmes travaux invitent les formulateurs à juger les additifs sur ces facteurs cinétiques plutôt que sur des mesures de propriétés statiques seules.

Deux lectures pratiques en découlent :

1. Un antimousse performant dans un système modèle faiblement stabilisé par tensioactifs peut échouer dans une formulation de production à forte teneur en tensioactifs, car la barrière d'entrée y est plus élevée.
2. Les antimousses contenant des particules hydrophobes, comme la silice hydrophobe, tendent à abaisser la barrière d'entrée par rapport à l'huile seule, ce qui explique en partie l'usage répandu des systèmes combinant huile et particules.

Antagonisme et synergie entre tensioactifs

Les systèmes de tensioactifs mixtes ne se comportent pas de façon additive. Une étude de 2022 sur les tensioactifs mixtes et la stabilisation de la mousse n'est pas la source de ce point ; l'observation pertinente issue de la littérature sur la mousse, apparue dans les résultats de recherche actuels, est que les tensioactifs mixtes peuvent présenter des effets antagonistes ou synergiques à l'interface air/liquide, stabilisant ou détruisant la mousse. Pour le formulateur, l'implication est directe : remplacer un agent mouillant par un autre, ou associer un dispersant à un additif de nivellement, peut produire une réponse de mousse impossible à prévoir à partir des composants pris isolément.

Incompatibilité sélective : le principe de conception central

Le cœur de la maîtrise industrielle de la mousse est l'incompatibilité sélective, point souligné dans la revue des antimousses pour revêtements. Un antimousse trop compatible se dissout dans la phase continue et devient inefficace comme agent de maîtrise de la mousse. Un antimousse trop incompatible produit des défauts de surface tels que cratères, fisheyes et reptation. Les praticiens gèrent cela en adaptant l'antimousse à la polarité du système, en utilisant des antimousses hydrophiles pour les systèmes peu polaires et hydrophobes pour les systèmes très polaires ou à fort cisaillement, afin que l'antimousse migre vers l'interface air/liquide sans dégrader le film.

Les tensioactifs déplacent cet équilibre. Une charge de tensioactifs plus élevée solubilise davantage d'antimousse dans les micelles et dans la phase aqueuse, ce qui augmente effectivement sa compatibilité et abaisse son activité. À l'inverse, un système pauvre en tensioactifs laisse l'antimousse plus incompatible que prévu, ce qui accroît le risque de défauts. Le même antimousse peut donc être trop faible dans une formulation et trop agressif dans une autre.

Schémas de défaillance typiques

Macro-mousse et micro-mousse réagissent différemment

L'article de PCI Magazine sur la macro et la micro-mousse dans les systèmes aqueux à faible COV distingue les deux. La macro-mousse est généralement traitée par des antimousses tensioactifs qui déstabilisent la lamelle au contact. La micro-mousse, avec des bulles d'environ 10 à 100 µm, reste entraînée dans le film liquide parce que son petit rayon limite la flottabilité, comme le décrit la loi de Stokes. L'éliminer exige des additifs dotés des coefficients d'entrée et d'étalement nécessaires pour pénétrer ces bulles fines, souvent avec des véhicules moins visqueux qui atteignent la lamelle plus efficacement.

Dans les systèmes riches en tensioactifs, la distinction est particulièrement pertinente. Des taux élevés de tensioactifs génèrent des bulles fines et stables à l'application au rouleau ou au pistolet, et ces bulles peuvent être piégées au moment où le film fige. Un antimousse choisi uniquement sur sa capacité à détruire la macro-mousse en essai de paillasse peut laisser des piqûres et des microbulles dans le film sec.

Point d'ajout et cisaillement

L'interaction est aussi physique. L'étude du Journal of Coatings Technology sur la sélection des antimousses pour systèmes aqueux montre que les antimousses incompatibles, notamment ceux qui contiennent de la silice hydrophobe ou des cires, doivent souvent être ajoutés à l'étape de pâte de broyage pour garantir une répartition homogène. Lorsqu'ils sont ajoutés à la dilution avec un cisaillement insuffisant, l'antimousse reste concentré localement, ce qui produit fréquemment des défauts de surface même lorsque la chimie est correcte. Le dosage et le point d'ajout sont couramment ajustés ensemble pour équilibrer l'efficacité antimousse et le risque de réduction du brillant ou de voile.

Une répartition pratique utilisée dans de nombreuses routines de production aqueuse :

• Étape de broyage : un antimousse est ajouté pour supprimer la mousse pendant la dispersion, là où les agents mouillants et dispersants génèrent le plus de mousse sous fort cisaillement. Un type plus incompatible est souvent acceptable à ce stade, car le cisaillement le répartira.
• Étape de dilution : un antimousse plus compatible ou un ajout postérieur sert à maîtriser la mousse issue de l'émulsion et du mélange à faible cisaillement, et à traiter la mousse au remplissage ou à l'application.

Fractionner la dose entre les étapes donne fréquemment de meilleurs résultats qu'un seul ajout plus important.

Utiliser les paramètres de solubilité pour réduire le temps de criblage

La sélection par tâtonnement est lente. Des travaux publiés en 2020 par Yuki Kato et ses collègues ont appliqué les paramètres de solubilité de Hansen pour faire correspondre l'affinité d'un agent antimousse avec les principaux tensioactifs générateurs de mousse, en rapportant des corrélations entre 0,860 et 0,953 et en positionnant la méthode comme un moyen de réduire les essais par tâtonnement chronophages. Les HSP ne remplacent pas la qualification en laboratoire, mais peuvent réduire une liste de candidats avant les essais de hauteur de mousse et de défauts.

Protocole de qualification pour les systèmes riches en tensioactifs

La séquence suivante limite le nombre de variables modifiées simultanément et garde les effets des tensioactifs visibles :

1. Fixer le système de tensioactifs. Qualifier l'antimousse une fois les choix de dispersant, d'agent mouillant et de modificateur rhéologique arrêtés, ou répéter le criblage chaque fois que l'un d'eux change.
2. Cribler un escalier de dosage. Tester au moins trois niveaux, par exemple bas, moyen et haut dans la plage recommandée par le fournisseur, plutôt qu'une dose unique.
3. Tester à deux points d'ajout. Comparer la pâte de broyage à la dilution, ainsi qu'un ajout fractionné.
4. Mesurer la dynamique de la mousse. Enregistrer la destruction initiale de la mousse et sa persistance dans le temps, avec une méthode pertinente pour le procédé (mélange à fort cisaillement, application au rouleau, pulvérisation ou circulation par pompe).
5. Évaluer les défauts de film. Tirer le film sur le support réel à l'épaisseur de production ; examiner cratères, fisheyes, piqûres, voile et brillant à 20°, 60° ou 85° selon le cas.
6. Réaliser un vieillissement. Stocker le produit fini, y compris en vieillissement à chaud, et retester mousse et défauts, car l'équilibre antimousse-tensioactif change à mesure que l'antimousse se solubilise ou se sépare.
7. Vérifier les propriétés en aval. Adhérence entre couches, recouvrabilité, résistance à l'eau et, pour les adhésifs, résistance de collage.

La discussion de PCI Magazine sur l'évolution des additifs de maîtrise de la mousse renforce la nécessité de cette démarche : croire en un antimousse universel unique est une idée fausse, car l'équilibre entre maîtrise de la mousse et esthétique de surface dépend de facteurs comme la concentration pigmentaire volumique, les solvants de coalescence et la porosité du support, qui pilotent des défauts tels que le voile, les cratères et le démouillage.

Chimies siliconées et sans silicone

Le choix entre antimousses siliconés et sans silicone est souvent cadré par l'interaction avec les tensioactifs autant que par le risque de défauts. Les phases actives siliconées sont très efficaces à faible dose et ont une faible tension superficielle, ce qui donne un fort étalement, mais elles peuvent créer des cratères et des problèmes de recouvrement lorsqu'elles sont mal dispersées. Les chimies sans silicone, comme les types à base d'huile minérale ou de polymère organique, sont fréquemment retenues lorsque la recouvrabilité, l'adhérence entre couches ou des exigences sans silicone s'appliquent. Aucune classe n'est intrinsèquement supérieure ; le meilleur choix dépend du système de tensioactifs, de la polarité, du cisaillement et de l'usage final. Astra Chemical fournit des antimousses siliconés et sans silicone, de sorte que la comparaison peut se faire au sein d'une même gamme et d'un même jeu de documentation.

Point de vue : notre approche de l'équilibre tensioactif-antimousse

Notre expérience des formulations clients montre que la mousse provient rarement d'un additif unique. Elle naît de l'inventaire complet de tensioactifs, et la sélection de l'antimousse est donc une question de système et non de produit. Nous partons de la formulation : le type de polymère, les taux de dispersant et d'agent mouillant, le modificateur rhéologique, le cisaillement du procédé et les propriétés de film visées. Ce n'est qu'ensuite que nous proposons des antimousses candidats, en sachant que le dosage optimal est souvent plus faible que supposé au départ lorsque le point d'ajout est correct.

Nous traitons aussi l'optimisation du dosage comme partie intégrante du produit, et non comme une réflexion après coup. Un antimousse utilisé au niveau efficace minimal réduit le risque de cratères et de voile et abaisse le coût d'usage total, qui est selon nous la bonne base de comparaison des additifs, plutôt que le prix au kilogramme. Une qualification soutenue par le laboratoire, la constance des lots et une documentation complète permettent au formulateur de passer de l'essai à la production avec moins d'itérations.

— Astra R&D Team

Antimousses et dispersants d'Astra Chemical

Les formulateurs confrontés à des questions de tensioactifs et d'antimousses peuvent consulter la gamme complète d'Astra Chemical, y compris les gammes d'antimousses ASTRA DF et ASTRA DF NS et la gamme de dispersants ASTRA DISP. Un support technique et des conseils de formulation sur mesure sont disponibles pour les revêtements, adhésifs, encres, plastiques et composites, et des demandes d'échantillons peuvent être organisées via le site d'Astra Chemical. Les prix ne sont pas publiés et sont communiqués sur demande.

FAQ

Peut-on utiliser un tensioactif et un antimousse dans la même formulation ?

Oui, et la plupart des produits aqueux contiennent les deux. Le tensioactif assure le mouillage, la dispersion ou l'émulsification, tandis que l'antimousse est choisi pour maîtriser la mousse que ces composants créent. Les deux doivent être qualifiés ensemble, car le taux de tensioactif modifie la quantité d'antimousse solubilisée et la facilité avec laquelle il pénètre dans le film de mousse.

Quels sont les inconvénients des agents antimousse ?

Les principaux risques sont les défauts de surface, à savoir cratères, fisheyes, reptation, voile et perte de brillant, lorsque l'antimousse est trop incompatible ou mal dispersé. Le surdosage peut aussi aggraver la persistance de la mousse ou affecter la recouvrabilité. Ces risques se gèrent par des escaliers de dosage, un point d'ajout correct et des essais dans la formulation réelle.

Quel est l'ingrédient principal d'un antimousse ?

Il n'existe pas d'ingrédient unique. Selon la littérature sur les méthodes d'essai, les antimousses associent un liquide véhicule tel qu'un glycol, une huile minérale ou une huile silicone, des émulsifiants, et des composants actifs tels que la silice hydrophobe, des silicones modifiées ou des acides gras. Le composant actif est ce qui rompt le film de mousse, et le véhicule ainsi que l'émulsifiant déterminent la façon dont il est apporté.

Le liquide vaisselle agit-il comme antimousse ?

Non. Le liquide vaisselle repose sur des tensioactifs tels que le laurylsulfate de sodium, le laureth sulfate de sodium et un oxyde d'alkyldiméthylamine pour nettoyer le gras, et la mousse qu'il produit fait partie de sa fonction. Les tensioactifs de ce type stabilisent la mousse plutôt qu'ils ne la suppriment.

Pourquoi la mousse revient-elle alors que l'antimousse fonctionne initialement ?

Les causes courantes sont la solubilisation ou la consommation de l'antimousse par le système de tensioactifs, l'adsorption sur le pigment, ou une barrière d'entrée qui s'élève à mesure que le tensioactif s'accumule aux nouvelles interfaces. Revoir le dosage, le point d'ajout et la polarité de l'antimousse résout généralement le problème, un ajout fractionné entre pâte de broyage et dilution étant un remède fréquent.

Sources

• Defoamers in the Coatings Industry, CHIMIA (doi 10.2533/000942902777680478)
• Defoamers in the Coatings Industry, CHIMIA full text
• Defoaming Test Methods, American Coatings Association
• Defoamer Selection in Waterborne Systems, Journal of Coatings Technology
• Mechanisms for Combating Macro and Microfoam in Low-VOC Waterborne Systems, PCI Magazine
• Evolving Foam Control Additives, PCI Magazine
• Mechanisms of Foam Destruction by Oil-Based Antifoams, Langmuir
• Hansen Solubility Parameters for defoamer selection, PMC
• Dawn Dish Soap Ingredients