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水性涂料 照相機捕捉圖像

2015-11-25 15:30:58| 次閱讀| 來源歐洲涂料雜志| 作者ECJ

摘要:為防止空氣滯留和起泡,水性涂料配方中常加入消泡劑。通 過捕捉噴涂在玻璃基材表面涂層的高分辨率圖像,對消泡劑性能 進行了研究。圖像分析對助劑效果提供了定量測量。出乎意料的 是,最有效的產品為非離子的潤濕劑而非消泡劑。

水性涂料 照相機捕捉圖像

為防止空氣滯留和起泡,水性涂料配方中常加入消泡劑。通 過捕捉噴涂在玻璃基材表面涂層的高分辨率圖像,對消泡劑性能 進行了研究。圖像分析對助劑效果提供了定量測量。出乎意料的 是,最有效的產品為非離子的潤濕劑而非消泡劑。

涂料的作用除了用于裝飾外,用在木器表面還起到改善性能的 作用[1]。在眾多的涂料配方中,聚氨酯(PU)具有最優異的 耐磨性和耐化學性[2]。直到最近,溶劑型PU涂料在木器涂料市場 上仍占主導地位。然而,由于環境法規和消費者偏好,市場正轉 向水性涂料[1]。

在向水性涂料技術轉換中,面臨的主要挑戰之一是如何使水 性涂料的表面張力降低到接近溶劑型涂料的表面張力—約25 mN/m[3]。為了實現良好的濕潤性和附著力,任何所配制涂料的表面張 力都應大大低于待涂覆基材的表面能[4]。

例如,木材的表面能約為44 mN/m[5],而水的表面張力為 72 mN/m。因此,在不同的水性涂料配方中,必須使用不同的助 劑,使涂料的表面張力降低至涂料自身(不含水)的表面張力約 30 mN/m[3]。在干燥過程中,如果涂膜的表面黏度變得太高,形成 的氣泡無法從表面逸出,就會滯留在涂膜中。此外,異氰酸酯與 水反應生成的CO2也可導致水性聚氨酯涂料中形成氣泡的問題[2-6]。 所以,采用消泡劑可防止空氣滯留和起泡。消泡劑為低表面張力 的液體,可進入氣泡膜內[7],或作為載體將疏水顆粒轉移到氣泡膜 內;這兩種方式都會導致泡沫破裂[7]。

嵌段共聚物消泡劑通常用于新型水性涂料配方中[8]。盡管預測哪種類型的助劑會破壞泡膜相對比較簡單,但詳細的預測非 常困難,這是因為有多種成分可能終止氣泡接觸面[6]。

為了應對新涂料配方的起泡問題,需要研究表面活性 劑、潤濕劑、水性聚合物以及消泡劑的結合使用,這一點至 關重要[6]。本研究的主要目標在于設計一種精確的定量研究, 對不同助劑在水性聚氨酯涂料配方中的氣泡形成和消泡效果 進行測量。

表面張力測量過程

本研究中,用一種水性雙組分脂肪族聚氨酯樹脂(Daotan公司產品)作為基礎樹脂。使用了一些市售的、通常建議用于木 器涂料的消泡劑和通用助劑(來自不同制造商)。對純樹脂的表 面張力進行測量,并與以不同濃度的各種助劑混合后樹脂的表面 張力進行比較。采用Wilhelmy板法,規格22 mm x 50 mm x 0.15 mm,在"Sigma 70"張力儀進行測量,每個樣品取10次讀數 的平均值。在所有氣泡研究中,嚴格按照木器涂料制造商建議的 助劑與樹脂的比率混合。此外,還進行了試驗分析,來定量和定 性測定涂料配方中使用的不同助劑對氣泡數量、大小的影響以及 在噴涂后15 min內的變化情況。本研究對每種助劑的效果都進行 了單獨測試。每個配方包含兩種成分:純樹脂及一種所述助劑。 表1的前兩欄中列出了本研究中使用的所有助劑的名稱及濃度。用 一個木制攪拌器將這些組合物完全混合,用手持式壓縮空氣噴槍 噴涂在玻璃表面。

涂裝和成像程序

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根據樹脂密度及玻璃表面積對噴涂次數進行調整,使最終的 濕膜厚度達到約150 μm。使用的玻璃基材為耐熱硼硅方形玻璃, (規格為5 cm x 5 cm x 0.3 cm,由McMaster-Carr公司生產)。一旦完成噴涂,將玻璃基材在單反(SLR)數碼相機(Nikon"D90") 下成像,見圖1(左)。

為更好地控制靜止拍照時間的準確度,使用了一個定時器系 統(TC-N3,JYC Technology)。試驗采用LED光板(Porta Trace公 司)工作面尺寸為22 cm×27 cm,亮白LED燈作為光源。在裝置周 圍放置了一個燈箱,給照相機遮擋外部光源。整個實驗裝置的照 片見圖1(右)。15 min內,每隔5 s拍攝一次照片。用"ImageJ" 軟件對圖像進行處理,用Macro對分析過的每張圖像的氣泡數量和 平均大小進行匯總。

檢查不同添加率的影響

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表1對表面張力測量結果進行了匯總。在0.1%的固定濃度下, 對每種助劑進行了測量,并與推薦的木器涂料配方用的不同濃度 樹脂的表面張力進行了比較。

在確定助劑降低表面張力的效果時,應考慮兩種因素:純樹 脂及助劑/樹脂配方之間的表面張力的降低幅度;在兩種濃度時的 表面張力差異。
此外,數據表明降低表面張力所需的濃度。如果0.1%濃度配 方的表面張力與更高濃度配方的表面張力相似,這意味著配方中 無需再使用更多量的助劑。
例如,分子消泡劑 Surfynol MD 20在僅添加0.1%時,表面張 力就降得非常低。這意味著不僅無需更高濃度,并且更多劑量會 對表面張力造成輕微的負面影響。

另一示例為Byk-346表面活性劑,這是一種聚醚改性的聚硅氧 烷助劑,推薦用來降低表面張力。添加0.1%到樹脂中,可將表面 張力降低至25.8 mN/m,這與添加0.3%后的表面張力(25.0 mN/ m)非常接近。這說明,添加更多并無益處。

氣泡滯留的研究結果

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采用不同的助劑,初始和最終氣泡的數量和大小各不相同。 在每種情況下,在15 min內的圖像分析研究期間,氣泡數量隨著 時間而減少,直至達到最后的氣泡數量。圖2~圖6顯示在15 min 內使用不同助劑的處理過的快照圖像,其中t = 0、1、3、7、 12min。每張圖像的分辨率為4 288 x 2 848像素。表2是使用每種助 劑的初始和最終氣泡數量和大小的匯總。

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純樹脂在開始時,整個表面上都覆蓋有大小不等的氣泡。然 后,氣泡開始四處移動,彼此碰撞匯合形成一些大氣泡。這是氣 泡周圍產生的表面張力梯度所造成的一種效果(見圖2)。接著, 一些氣泡逐漸破裂,表面上的氣泡數量減少,但即使樹脂完全干 燥后,表面上仍然有很多氣泡(24 h后)。
添加硅氧烷類表面活性劑("Byk-346")可使大氣泡無法形 成。但剛開始時的小氣泡仍然較多,其中一些在觀察15 min后仍 然存在。

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圖4和圖5顯示添加由同一家公司生產的兩種消泡劑后的圖像。新產品Foamex 822的效果顯然優于Foamex 800。因此,制造 商肯定會建議使用前一種產品作為高效消泡劑。

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從圖6中可看出,用作潤濕劑的Hydropalat非離子表面活性劑 在減少樹脂中初始氣泡形成方面最有效,它也能快速消除少量形 成的小氣泡。
氣泡數量的下降趨勢是每種助劑潛在優點的體現。圖7詳細 展示了隨著時間的延長,一些助劑和樹脂的氣泡數量變化情況。 在某些情況下,如圖7中的純樹脂,在開始幾分鐘內氣泡數量會增加,這是由于涂膜中的溶解氣泡移動至表面所造成。然后,隨著 氣泡從表面逸離,可觀察到氣泡數量逐漸減少。

試驗程序為更詳細的研究提供可能

本研究的獨特設計能將添加到水性聚氨酯樹脂配方中的多種 消泡劑、表面活性劑及潤濕劑的消泡效果進行精準的比較。詳細 研究呈現了初始氣泡數量及消泡情況,有助于消泡劑制造商對當 前存在問題進行深入了解。

這些結果以及表面張力分析也將有助于涂料配方人員選擇最 佳消泡劑,并了解它們在配方中的準確用量。在本研究測試過的 所有助劑中,非離子表面活性劑的效果最好,形成的初始氣泡最 少,在觀察15 min后濕膜幾乎完全沒有氣泡。

需要與涂料原材料制造商密切合作開展更深入的研究,才能 根據表面活性劑或消泡劑的化學特性來解釋上述觀察效果,并說 明將其用于更多樹脂類型和配方的方法。

對于主要涂料助劑制造商和涂料行業來說,了解減少水性 涂料濕膜中的氣泡形成以及快速消泡的作用機理是一種突破性研 究。需要進行更多的研究來確定在氣泡滯留研究中助劑組合和最 佳添加順序的影響。

多倫多大學先進涂料技術中心正在進行的研究重點為:干 燥或固化期間涂料中氣泡的運動,以及使氣泡滯留在基材表面 還是將氣泡推到表面破裂的機理。

結果一覽

水的低蒸發率和高表面張力使水性涂料配方易產生氣泡 滯留,造成起泡缺陷。在生產、包裝和涂裝過程中會形成 氣泡。為防止起泡,通常要加消泡劑。

通過捕捉水性聚氨酯涂料噴涂在玻璃基材表面的高分辨 率圖像,研究了使用不同助劑對氣泡形成和消泡效果。

圖像分析顯示某些助劑可減少剛開始形成的氣泡數量以 及15 min后濕膜中的氣泡數量。定量分析提供了經測試的 消泡劑的效果的準確對比。

添加非離子潤濕劑幾乎不會產生氣泡,與研究中評估的 所有消泡劑相比效果出奇的好。

致謝

作者對Maryam Rezazadeh在整個項目期間提供的幫助表示感謝,同 時感謝Sherwin-Williams Canada Inc.公司和加拿大自然科學工程研究委 員會(NSERC)提供的資金支持。


參考文獻
[1] Bulian F., Graystone J. A.. Industrial wood coatings - theory and practice, 2009, Elsevier.
[2] Wicks Jr. Z. W., Wicks D. A., Rosthauser J. W.. Two package waterborne urethane systems, Prog. in Org. Coat., 2002, Vol. 44, No. 2, pp 161-183.
[3] Nejad M., Cooper P.. Exterior wood coatings, Part 2: Modeling correlation between coating properties and their weathering performance, JCTR, 2010, Vol. 8, No. 4, pp 459-467.
[4] Weldon D. G.. Failure analysis of paints and coatings, 2002, John Wiley & Sons, p 291.
[5] Wålinder M.. Wetting phenomena on wood: factors influencing measurements of wood wettability, doctoral thesis, 2000, KTHRoyal Institute of Technology, Stockholm.
[6] Zeno W. et al.. Organic coatings: science and technology, 2007, Hoboken, N.J., Wiley-Interscience.
[7] Du J. W.. Surfactants, dispersants, and defoamers for the coatings, inks, and adhesives industries, in Coatings technology handbook, Ed. Tracton A. A., 2006, Taylor & Francis, New York.
[8] Schulte H.-G.. Antifoams, in Additives in water-borne coatings, Ed. Davison G. Lane B. C., 2003, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK. pp 61-73.

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