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在从溶剂性涂料到水性涂料的转变所带来的技术挑战中——由更可持续的涂料行业的监管推动——对涂料分散体的干燥和成膜过程的控制已成为近年来激烈研究的问题。188BET竞彩

测量开放时间的挑战

先进的分析方法和成像技术已被用于深入了解驱动成膜过程的机制,并确定影响开放时间的因素。1无论如何复杂的分析,我们仍然认为需要一种简单易行的方法来定量区分水性涂料的干燥行为,而且,这将有助于配方师为特定的产品和应用选择最有利的成分。这对于延长开放时间的添加剂的识别特别相关,开放时间是指油漆应用后进行修正而不留下明显缺陷在膜上的时间。这一部分的绘画过程仍然是一项具有挑战性的任务,因为缺乏一个客观稳定的方法来评价它。

目前的ASTM D7488方法依赖于对拉深漆膜上重涂标记的主观视觉评估。2在实践中,这种方法是不可复制和一致的,由于非标准化的因素,如在刷牙期间施加的力等。在比较涂料添加剂对干燥效果的影响时,往往不能区分涂料的性能。一种更直观,但不太复杂的方法来表征漆膜的干燥,可以提供流变仪,使用针固定在经典的板几何形状,缓慢旋转通过漆膜。这在之前发表的文献中有描述。3.这种方法的主要缺点是它只依赖于一点测量,因此可能对薄膜的不均匀性很敏感。

现有的新方法

在这篇文章中,一种新颖的流变测量系统改编自以前的参考针盘系统。如图1所示,新系统由12个均匀分布的2毫米厚的引脚组成,连接在一个环上。增加针的数量提供了更高的扭矩响应,因此在干燥过程中对膜的粘度变化有更高的敏感性。与一点测量相比,多点测量技术还减少了漆膜不均匀性的影响。此外,由于测量系统的开放式设计,可以保证薄膜中不受干扰的水分蒸发,因为针脚连接在一个环上,而不是连接在容易冷凝的板上,这可能会造成局部湿度环境。

新颖的流变测量系统- 12针固定在一个环上

图1”新颖的流变测量系统- 12针固定在一个环上。

该新型测量系统已用于研究科莱恩公司的几种添加剂对水性聚合物分散体和涂料干燥过程的影响。在一个典型的测量过程中,使用400µm涂抹器刀片将漆膜涂在玻璃板上,然后立即转移到Thermo Scientific™HAAKE™MARS™60流变仪上。玻璃板放置在一个平面支架上,用金属环固定,如图2所示。开始测量,引脚插入漆膜,在引脚头部和玻璃板之间留下100µm的空隙。然后,在测量期间,环以0.01 rpm的恒定速度旋转,通常在30到60分钟之间。在测量期间,扭矩随时间的增加被记录为薄膜干燥的指标。每个样品重复测量三次,最后的扭矩为三次测量的平均值。所有平均测量均在相近的温度(±1°C)和相对湿度(±2%)下进行,在实验过程中直接跟踪。

在测量过程中,涂膜固定在流变仪与新的12销环几何形状

图2”在测量过程中,涂膜固定在流变仪与新的12销环几何形状。

新方法经受考验

为了展示这种新方法的潜力,对几种系统进行了测试。首先,研究了水性聚合物分散体的干燥行为以及添加剂的加入对干燥的影响。随后,根据先前表征的粘合剂配制了低和高颜料浓度的涂料,并研究了添加剂的影响。

粘结剂稳定化的作用是什么?

作为测试系统,选择了四种商用水性聚合物分散体作为涂料的粘结剂。粘合剂的性能概述见表1(注:如果没有备注,数据将在供应商的技术文件中报告)。

粘结剂性能概述

表1”粘结剂性能概述。

结合剂P1和P4仅由表面活性剂稳定,而P2和P3则由表面活性剂和高分子化合物的不同组合稳定。P2、P3和P4是由醋酸乙烯基制成的,而P1是由丙烯酸酯制成的。为了比较粘结剂的干燥速度,四种分散体的固体含量均通过去离子水稀释调整为45%。在此浓度下,分散体的粘度仍然适合于制备稳定的400 μ m湿膜。图3显示了扭矩随时间的变化。有趣的是,两种粘合剂P2和P3的干燥情况非常相似。尽管具有相似的小粒径和zeta电位值,但仅用表面活性剂稳定的粘合剂表现出截然不同的干燥行为。粘结剂P1在10分钟后薄膜粘度急剧增加,而粘结剂P4在大约50分钟后扭矩增加。

聚合物分散膜的干燥在23°C和59%的相对湿度

图3»聚合物分散膜的干燥在23°C和59%的相对湿度。

添加剂对干燥行为的影响

为了说明如何使用新的测量方法来评估添加剂可能影响粘结剂干燥行为的方式,研究了在聚合物分散体中以1%的质量分数补充两种添加剂的影响。选择一种成熟的开放时间延长剂添加剂作为添加剂A1,并测试添加剂A2作为一种潜在的替代品。结果如图4至图7所示。紫色曲线表示粘结剂在45%水分散剂条件下的干燥情况,红色曲线表示添加剂A1添加量为1 wt%时的效果,绿色曲线表示添加剂A2添加量的效果。有趣的是,每种粘结剂都以不同的方式受到添加剂的影响。在比较表面活性剂稳定的粘结剂时,添加剂A2对粘结剂P1的干燥行为对A1有主要影响,而对粘结剂P4则相反。这一观察结果表明,特定的添加剂与粘合剂的相互作用可能是低粘性范围延长的原因,在扭矩急剧增加之前,这表明薄膜开始形成。对于粘结剂P2来说,两种添加剂对薄膜粘度的抑制作用相似,尽管添加剂A1的粘度增幅要比添加剂A2大。对于粘合剂P3,添加剂不能影响干燥行为,这表明这是由保护胶体-表面活性剂混合物控制的,已经用于稳定聚合物分散,这种混合物可能会阻碍聚合物颗粒和额外添加剂之间的进一步相互作用。

在23℃,59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P1

图4»在23℃,59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P1。

在23°C, 59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P2

图5»在23°C, 59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P2。

在23℃,59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘合剂P3

图6»在23℃,59%的相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘合剂P3。

在23°C, 59%相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P4

图7»在23°C, 59%相对湿度下,用1%的添加剂干燥粘结剂P4。

涂料配方中添加剂与粘结剂的相互作用

在随后的步骤中,新方法在涂料配方中进行了测试。粘结剂P4分别加入高、低颜料体积浓度的两种涂料配方中,其组成见表2。基于此配方测试三个样品,包含1%的添加剂A1或A2,或空白样品完成去离子水。

高聚氯乙烯和低聚氯乙烯涂料的组成

表2”高聚氯乙烯和低聚氯乙烯涂料的组成。

与之前在图7中显示的纯P4粘合剂薄膜相比,在涂料中,薄膜粘度的变化在更短的时间内被检测到(图8和9)。观察到的趋势与预期相符——颜料与粘合剂比例最高的配方干燥速度最快。添加剂的性能在三种体系中是不同的。虽然添加剂A1能够有效地稳定纯粘合剂配方中的薄膜的低粘性状态,但它在低pvc涂料中显示出加速干燥的效果。在高pvc涂料中,添加剂A1和A2对薄膜粘度的陡增具有类似的延缓作用,而在低pvc涂料中,与没有添加剂的涂料相比,A2减缓了薄膜粘度的增加。这些观察结果表明,在涂料配方中,添加剂和其他成分(如粘结剂颗粒、颜料和分散剂)之间的相互作用可能是决定体系干燥行为的关键。为了更好地理解添加剂在漆膜干燥过程中的作用,可能需要进一步研究添加剂与颜料的相互作用。

高pvc涂料在23°C和50%相对湿度下干燥

图8»高pvc涂料在23°C和50%相对湿度下干燥。

低pvc涂料在23°C和50%相对湿度下干燥

图9»低pvc涂料在23°C和50%相对湿度下干燥。

结论

综上所述,基于一种新颖的测量系统,提出了一种简单的流变学方法,可用于研究含水涂料的干燥行为。新系统是基于12个大头针平均固定在一个外径为40厘米的环形几何形状上,然后连接到一个高度精确的空气轴承流变仪。针脚穿透一层新涂上的确定厚度的未干漆膜,并在其中缓慢旋转。在扭矩随时间的变化是直接相关的变化,薄膜粘度,并允许检测形成高粘性,紧密排列的颗粒作为干燥期间的特征过渡。该方法已成功地测试了四种商用聚合物分散体的干燥行为表征,以及两种添加剂对聚合物分散体干燥过程的影响的研究。此外,该方法已成功地用于评价添加剂对高、低颜料体积干燥的影响。新的测试系统将有助于配方人员轻松、客观地选择最有利的成分,以优化水性涂料的干燥性能。

参考文献

1科伊杰,H.M.范德;Fokkink r;古赫特,J. Van Der;张志强,张志强,张志强,等。涂料干燥与老化过程中非均质动力学的定量成像,科学通报(2016),34(6):353 - 356。

ASTM D7488-11乳胶漆开启时间的标准试验方法。

3 Hoeflich, a;赫斯,m;罗伯尼格,R.流变学研究Untersuchungen der offenen Zeit von Bautenfarben, Farbe und Lack,(2013) 10:64。