Roland Ramsch Giovanni Brambilla Mathias Fleury Pascal Bru Gérard Meunier

擴(kuò)散波光譜(DWS)是可以詳細(xì)考察涂膜干燥階段的一種技術(shù)。在某案例中，發(fā)現(xiàn)涂在預(yù)涂層上的聚氨酯涂料的干燥速度遠(yuǎn)低于直接涂在鋁板上的干燥速度。通過(guò)DWS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)最終硬度與DWS測(cè)得的初始干燥速度之間存在相關(guān)聯(lián)系。

擴(kuò)散波光譜(DWS)是一種基于多重光散射的光學(xué)技術(shù)，可用于研究樣品的黏彈性[1-2]。根據(jù)樣品及應(yīng)用目的，目前已有透射光散射裝置或反向散射光設(shè)備[1-2]。此外，單光子探測(cè)儀或攝像機(jī)可用作檢測(cè)器[1-3]。

本研究工作中使用 法國(guó)Formulaction公司的 “Horus”動(dòng)態(tài)干燥度分析儀，該儀器是一種基于多重反向散射和電荷耦合攝像機(jī)[4]，作為探測(cè)儀。圖1顯示試驗(yàn)裝置組成 。將激光發(fā)射到樣品上，樣品中的粒子 (液滴、固體粒子或纖維)對(duì)激光進(jìn)行反復(fù)散射。

反向散射光可產(chǎn)生干涉圖像(稱(chēng)為散斑圖像)，可以被攝像機(jī)捕捉到。由于使光發(fā)生散射的粒子會(huì)產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)，圖像會(huì)隨時(shí)變化。

DWS的原理不僅可用于本文所述的涂膜分析，還可用于集群分析。這里我們稱(chēng)其為DWS被動(dòng)微流變學(xué)法[1-2]。當(dāng)量足夠大時(shí)，可用該技術(shù)來(lái)分析樣品的彈性和黏度。然而，在本研究中，膜厚只有幾微米，太薄而不能進(jìn)行黏彈性分析來(lái)說(shuō)太薄。盡管如此，DWS仍可提供樣品干燥動(dòng)力學(xué)的相關(guān)信息。

如何使用DWS技術(shù)觀測(cè)干燥過(guò)程

通過(guò)數(shù)學(xué)處理，這些散斑圖像的變化可以用解相關(guān)函數(shù)來(lái)表達(dá)。解相關(guān)函數(shù)與粒子的運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。由于粒子運(yùn)動(dòng)取決于黏度，因此黏度越高，解函數(shù)值增加就越慢。

圖2顯示了干燥過(guò)程中解相關(guān)函數(shù)的典型演變過(guò)程。這些曲線為指數(shù)形狀。隨著干燥進(jìn)行，涂膜內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)變慢，對(duì)應(yīng)在函數(shù)中表現(xiàn)為解相關(guān)的時(shí)間越長(zhǎng)。

為了量化上述關(guān)系，采用流動(dòng)性因子(FF)對(duì)解相關(guān)函數(shù)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)解相關(guān)函數(shù)的指數(shù)擬合，得到一個(gè)特征解相關(guān)時(shí)間τc。流動(dòng)因子是特征解相關(guān)時(shí)間τ c 的倒數(shù)，即 。

通過(guò)這種方式，可以獲得水性涂料或者溶劑型涂料的干燥動(dòng)力學(xué)曲線，進(jìn)而表征干燥的不同階段。圖3 顯示了水性涂料成膜過(guò)程中典型干燥動(dòng)力學(xué)。可以分辨出干燥過(guò)程中的不同階段及所用時(shí)間，這些階段可表征不同狀態(tài)，如濕膜開(kāi)放時(shí)間、表干時(shí)間或指觸干時(shí)間。

上述這些時(shí)間均由涂料本身的特性所決定，不同涂料類(lèi)型這些時(shí)間有所不同。在圖2示例中，干燥動(dòng)力學(xué)曲線眾所周知，且已通過(guò)其他方法[5-6]的二次驗(yàn)證。在最初的較短時(shí)間內(nèi)通常由揮發(fā)主導(dǎo)。此時(shí)由于樣品黏度低，流動(dòng)系數(shù)較高。樣品中每個(gè)粒子都是獨(dú)立的，可自由運(yùn)動(dòng)。

該階段結(jié)束的標(biāo)志為表征時(shí)間T 1，經(jīng)常把它等同于濕膜開(kāi)放時(shí)間。第二階段表示粒子堆壓過(guò)程，此時(shí)溶劑仍在揮發(fā)。粒子間的距離越來(lái)越靠近，直至達(dá)到最緊密堆積。該階段用表征時(shí)間T 2表示，即表干時(shí)間。該階段結(jié)束的標(biāo)志為表征時(shí)間T 3，指的是指觸干時(shí)間。最終階段為相互擴(kuò)散的成膜階段。只有當(dāng)溫度高于最低成膜溫度時(shí)，才會(huì)進(jìn)入該階段，不同涂料配方的最低成膜溫度都是特定的。該階段結(jié)束的標(biāo)志為表征時(shí)間T 4，即實(shí)干(完全干燥)時(shí)間[5-6]。

在正常施工條件下對(duì)干燥過(guò)程進(jìn)行研究采用“Horus”的DWS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一在于可以在實(shí)際工況條件下，用適當(dāng)基材來(lái)分析干燥過(guò)程，如不同的金屬板、木板、玻璃乃至復(fù)合板材[5]。膜厚的范圍可調(diào)整為5～1 000 μm。在實(shí)際涂裝過(guò)程中，時(shí)間很寶貴，因此了解頭道涂層何時(shí)充分干燥，可以涂下一道(用同一種涂料或不同涂料)的時(shí)間至關(guān)重要。本研究闡釋了涂料行業(yè)中如何利用DWS進(jìn)行涂膜分析。

第一個(gè)示例將告訴我們?cè)摲椒ㄊ侨绾胃鶕?jù)干燥時(shí)間評(píng)估連續(xù)涂裝過(guò)程中的不同涂層。第二個(gè)示例表明： DWS儀器測(cè)得的干燥時(shí)間與帕索茲擺桿硬度之間具有緊密相關(guān)性。