Roland Ramsch Giovanni Brambilla Mathias Fleury Pascal Bru Gérard Meunier

擴散波光譜(DWS)是可以詳細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低于直接涂在鋁板上的干燥速度。通過DWS檢測，發(fā)現(xiàn)最終硬度與DWS測得的初始干燥速度之間存在相關(guān)聯(lián)系。

擴散波光譜(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，單光子探測儀或攝像機可用作檢測器[1-3]。

本研究工作中使用 法國Formulaction公司的 “Horus”動態(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[4]，作為探測儀。圖1顯示試驗裝置組成 。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)對激光進行反復(fù)散射。

反向散射光可產(chǎn)生干涉圖像(稱為散斑圖像)，可以被攝像機捕捉到。由于使光發(fā)生散射的粒子會產(chǎn)生布朗運動，圖像會隨時變化。

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。這里我們稱其為DWS被動微流變學(xué)法[1-2]。當(dāng)量足夠大時，可用該技術(shù)來分析樣品的彈性和黏度。然而，在本研究中，膜厚只有幾微米，太薄而不能進行黏彈性分析來說太薄。盡管如此，DWS仍可提供樣品干燥動力學(xué)的相關(guān)信息。

如何使用DWS技術(shù)觀測干燥過程

通過數(shù)學(xué)處理，這些散斑圖像的變化可以用解相關(guān)函數(shù)來表達。解相關(guān)函數(shù)與粒子的運動情況有關(guān)。由于粒子運動取決于黏度，因此黏度越高，解函數(shù)值增加就越慢。

圖2顯示了干燥過程中解相關(guān)函數(shù)的典型演變過程。這些曲線為指數(shù)形狀。隨著干燥進行，涂膜內(nèi)粒子運動變慢，對應(yīng)在函數(shù)中表現(xiàn)為解相關(guān)的時間越長。

為了量化上述關(guān)系，采用流動性因子(FF)對解相關(guān)函數(shù)進行分析。通過對解相關(guān)函數(shù)的指數(shù)擬合，得到一個特征解相關(guān)時間τc。流動因子是特征解相關(guān)時間τ c 的倒數(shù)，即 。

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

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

該階段結(jié)束的標(biāo)志為表征時間T 1，經(jīng)常把它等同于濕膜開放時間。第二階段表示粒子堆壓過程，此時溶劑仍在揮發(fā)。粒子間的距離越來越靠近，直至達到最緊密堆積。該階段用表征時間T 2表示，即表干時間。該階段結(jié)束的標(biāo)志為表征時間T 3，指的是指觸干時間。最終階段為相互擴散的成膜階段。只有當(dāng)溫度高于最低成膜溫度時，才會進入該階段，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)志為表征時間T 4，即實干(完全干燥)時間[5-6]。

在正常施工條件下對干燥過程進行研究采用“Horus”的DWS技術(shù)的優(yōu)點之一在于可以在實際工況條件下，用適當(dāng)基材來分析干燥過程，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。在實際涂裝過程中，時間很寶貴，因此了解頭道涂層何時充分干燥，可以涂下一道(用同一種涂料或不同涂料)的時間至關(guān)重要。本研究闡釋了涂料行業(yè)中如何利用DWS進行涂膜分析。

第一個示例將告訴我們該方法是如何根據(jù)干燥時間評估連續(xù)涂裝過程中的不同涂層。第二個示例表明： DWS儀器測得的干燥時間與帕索茲擺桿硬度之間具有緊密相關(guān)性。