Controle de espuma durante a preparação de dispersões de pigmentos aquosos

As dispersões de pigmentos aquosos são criadas pela dispersão estável de partículas de pigmento na água através de processos como dispersão e moagem. Essas dispersões consistem tipicamente de pigmentos, dispersantes, agentes umectantes, antiespumantes e meio dispersante (água e co-solventes) [1]. O processo envolve a quebra de partículas de pigmento aglomeradas em partículas minúsculas, com dispersantes adsorvendo em suas superfícies para evitar a reagregação.

Os dispersantes utilizados neste processo são geralmente à base de polímeros com segmentos hidrofílicos e hidrofóbicos, exibindo alguma atividade superficial na fase aquosa, semelhante aos surfactantes. Durante a moagem, forças mecânicas introduzem gás na fase aquosa, e dispersantes, atuando como surfactantes, reduzem a tensão superficial dessas bolhas de gás. Essa estabilização aprisiona o gás dentro da fase líquida, formando espuma estável.

Em muitos casos, a espuma pode ser prejudicial, levando ao transbordamento de material, riscos ambientais, diminuição da eficiência da produção e muito mais. Durante a preparação de dispersões de pigmentos aquosos, a moagem pode causar expansão de volume, potencialmente levando ao transbordamento. Além disso, a eficiência de moagem reduzida devido ao aumento do volume pode resultar em finura de dispersão abaixo da média e problemas de transferência de massa. Portanto, é crucial eliminar prontamente a espuma durante a moagem para aumentar a área de contato entre o meio de moagem e as partículas de pigmento, melhorando a eficiência de cisalhamento [2], reduzindo o tempo de moagem e promovendo melhor adsorção de pigmentos nos dispersantes. Este artigo explora agentes antiespumantes adequados para vários pigmentos, oferecendo uma solução de controle de espuma para o processo de dispersão de pigmentos aquosos.

Seção Experimental

1. Principais Materiais e Equipamentos

Dispersantes: DS-194H (40% de conteúdo efetivo), DS-195L (40% de conteúdo efetivo), DS-192L, Agentes espumantes: DF-220S, Foamic-024, Foamic-021, Foamic-028 (Tianjin Saifei Chemical Technology Development Co., Ltd); TEGO-760W, TEGO-755W, FOAMEX 810 (Degussa); BYK-190, BYK-2012, BYK-011 (BYK-Chemie); Dispersogen PL 30 (Clariant); Negro de fumo de alto pigmento FW-200 (Orion); Pigmento vermelho de óxido de ferro (Lansheng); Pigmento de dióxido de titânio (Longmang); JSF-550 dispersor versátil (Shanghai Yusheng Electromechanical Equipment Co., Ltd); esferas de zircônia (tamanho de partícula 0,8-1,5 mm, área superficial específica 2,5 m2/g); Vaso de reação de vidro temperado flangeado (Nantong Puretech Instrument Co., Ltd); Raspador de finura (Tianjin Yongli Testing Machine Factory).

1.2 Procedimento Experimental

1.2.1 Modificação de Equipamentos Experimentais

O laboratório' O dispersor multifuncional tipo cesto é composto por um disco de lixamento, motor e um tambor de lixamento de aço de 1 L. Para facilitar a observação e a troca de calor durante a retificação, o tambor de lixamento de aço (Figura 1a) foi substituído por um vaso de reação de vidro temperado com flange de 2 L (Figura 1b), e um banho-maria foi usado para troca de calor durante o processo de moagem. Antes do uso, o volume do vaso de reação de vidro temperado flangeado foi calibrado, e marcações unitárias de volume foram feitas no vaso' s exterior.

1.2.2 Processo Experimental

De acordo com a Tabela 1, as quantidades medidas de água, dispersantes e antiespumantes foram adicionadas ao recipiente de reação de vidro, misturadas completamente, seguidas da adição do pigmento medido. Em seguida, uma quantidade pré-determinada de meio de moagem (esferas de zircônia, 500 g, totalmente umedecido, com volume entre 560 e 630 mL) foi adicionada ao vaso de reação. A moagem foi realizada a 3.000 rpm por 120 minutos, e a moagem foi imediatamente interrompida se o nível do líquido subisse para a flange do recipiente de reação de vidro. Durante todo o experimento, o nível de líquido foi continuamente monitorado e a área de moagem unitária de volume foi calculada. As amostras foram coletadas e a finura da dispersão foi medida usando um medidor de finura raspador, enquanto a viscosidade da dispersão do pigmento foi avaliada visualmente dentro do vaso de reação.

1.3 Métodos de Avaliação

1.3.1 Área de Moagem de Volume Unitário (SV)

O volume unitário de área de moagem refere-se à razão entre a área superficial total do meio de moagem e o volume do líquido de trabalho e pode ser calculado usando a fórmula (1).

VS = (m / S) / V

Onde:SV - Área de moagem de volume unitáriom - Massa do meio de moagemS - Área superficial específica do meio de moagemV - Volume total do líquido de trabalho contendo o meio de moagem

Uma VS menor indica a presença de mais gás no sistema, resultando em menor eficiência de moagem.

1.3.2 Duração do Processo de Moagem

A duração do processo de moagem refere-se ao tempo necessário para que o nível de líquido no recipiente de reação suba para a flange. Um tempo mais curto indica formação de espuma mais severa durante a moagem.

1.3.3 Finura de dispersão

A finura da dispersão foi medida usando um medidor de finura raspador, com um valor numérico menor indicando dispersão mais fina.

1.3.4 Avaliação Visual da Viscosidade

O comportamento do fluxo do líquido no interior do vaso de reação vítreo foi avaliado visualmente, com melhor fluidez indicando menor viscosidade.

Resultados e Discussão

2.1 Mecanismo dos agentes antiespumantes [3]

A ação dos agentes antiespumantes envolve dois processos: desespumante e quebra de espuma. Os agentes antiespumantes utilizados neste experimento são todos agentes antiespumantes não siliconados, não oleosos ou não gordurosos. Seu princípio de ação baseia-se na exploração de diferenças de tensão superficial para desespumação. Para bolhas de gás no interior do líquido, o processo de desespuma é ilustrado na Figura 2, com a equação de Laplace como mostrado na Fórmula (2).

Como mostrado na Figura 2, supondo que não haja efeitos de viscosidade, duas bolhas de gás de tamanhos diferentes dentro do líquido exercerão pressões diferentes dentro das bolhas. Como P1 > P2, bolhas menores se fundem em bolhas maiores, levando à formação de bolhas maiores. Devido à flutuabilidade, essas bolhas maiores se movem para cima, aumentando de volume, e sua taxa de ascensão se acelera, eventualmente escapando do líquido.#39; s interior. Esse processo é chamado de antiespumante. No entanto, se as bolhas formadas dentro do sistema líquido são de tamanho semelhante, ou seja, P1 ≈ P2, torna-se um desafio para as bolhas se fundirem, e o processo de desespuma é dificultado. O gás permanece aprisionado dentro do líquido, causando rápida expansão de volume. Um fator-chave que contribui para o tamanho uniforme das bolhas é a ação de dispersantes ou emulsificantes. Os agentes antiespumantes, por outro lado, exploram a tensão superficial para conseguir a formação de espumantes. Em relação aos dispersantes e emulsificantes, os agentes antiespumantes têm diferentes capacidades de migração e são usados em menores quantidades. Consequentemente, nem todas as bolhas de gás no sistema têm oportunidades iguais para encontrar agentes antiespumantes ou dispersantes, resultando em tensão superficial variável em diferentes superfícies de bolhas. Como resultado, os tamanhos dessas bolhas diferem, desencadeando o processo de desespuma e promovendo um aumento no volume de líquido. Isso leva a um aumento na velocidade ascendente e fuga do líquido' interior, realizando a quebra de bolhas para bolhas superficiais, como mostra a Figura 3, onde vermelho e branco representam agentes desespumantes moleculares.

Os agentes antiespumantes alteram a estrutura das superfícies dentro e fora das bolhas, alterando a tensão superficial da membrana da bolha. Isso inicia o movimento do líquido superficial e o aparecimento de pontos fracos. Sob a ação da gravidade e da drenagem, a membrana líquida é rasgada, liberando gás das bolhas e conseguindo a quebra das bolhas.

2.2 Impacto dos agentes antiespumantes no estado de moagem das dispersões de pigmentos

Sem medidas de controle de espuma, o ar rapidamente se dispersa para a fase líquida do recipiente de reação, causando rápido aumento do nível de líquido. Os resultados de caracterização dos diversos sistemas durante a dispersão são apresentados nas Tabelas 2-4.

A introdução de ar no sistema de preparação irá inevitavelmente diluir os volumes de pigmento e meios de moagem. Como a área total do meio de moagem é constante, a diluição do volume resulta em um SV menor, uma redução na área efetiva de moagem e uma diminuição notável na eficiência de moagem. Além disso, as partículas de pigmento são diluídas com ar, reduzindo suas chances de contato com o meio de moagem, o que também leva à diminuição da eficácia da moagem.

As Tabelas 2-4 revelam que a presença de espuma tem um impacto significativo no SV-20, na finura e no tempo operacional de dispersão para o sistema negro de fumo, com TEGO-760W exibindo espuma severa. No caso da dispersão de óxido de ferro, TEGO-755W também exibiu comportamento de formação de espuma pronunciado, enquanto na dispersão de dióxido de titânio, tanto TEGO-755W quanto BYK-2012 exibiram espuma severa. Foram conduzidos experimentos com TEGO-760W, TEGO-755W e BYK-2012 como dispersantes de referência para o controle de espuma.

2.3 Efeitos de Controle de Espuma de Diferentes Agentes Antiespumantes

Ao introduzir agentes antiespumantes no sistema de moagem, eles removem prontamente o ar aprisionado, formando espuma estável, reduzindo o aumento do nível de líquido e resultando em mudanças mínimas no volume da fase líquida. Assim, a VS é mantida e a eficiência de moagem permanece alta. Os efeitos da adição de agentes antiespumantes a diversas dispersões de pigmentos são apresentados nas Tabelas 5 a 7.

As Tabelas 5-7 demonstram que a adição de agentes antiespumantes prolonga significativamente o tempo de operação de moagem para dispersões de negro de fumo, óxido de ferro vermelho e dióxido de titânio, que inicialmente eram difíceis de moer. Além disso, exigem 20% menos meios de moagem. Os resultados indicam melhor eficiência de moagem e tempos operacionais prolongados.