data-full-width-responsive="true"> 不同固含量涂料的固化机理研究孙建艇 臧永华 李 洒(天津科技大学材料科学与化学工程学院, 天津市制浆造纸重点实验室, 天津, 300457)涂层固化是涂料被施涂于承载物后转化为固相的复杂过程, 同时也是涂层性能发生变化的过程。因此, 阐明涂层固化机理一直是涂布纸研究领域的一个重要课题 。目前, 已经被普遍接受 的固化机理是Lepoutre提出的经典涂层固化机理 。该机理定义FCC ( F irst Conso lidation Concen trat ion, 第一临界浓度) 和SCC ( Second Conso lidation Concentration, 第二临界浓度) 两个概念, 将涂层固化过程分为液相、凝胶相和固相三个阶段。其中, FCC 为涂层表面光泽度迅速下降时体系中的固含量, SCC 为涂层反射率迅速增加时(或者光泽度趋于平缓时)体系中的固含量。该模型假设了涂料中固含量(或者说水分含量) 在z 向均匀分布。虽然这个假设对于涂布量较低的轻涂纸可能成立, 但是, 对于涂布量较高、涂层较厚的双涂( doub lecoated) 高档涂布纸和涂布纸板则很可能失效。B erg 等人 在实验中发现,分布不均匀的涂料悬浮液很难在粒子和水分浓度扩散的作用下恢复到均匀分布状态。Toivakka等人 利用计算机摸拟涂布纸干燥过程设计的数学模型预测快速蒸发导致颜料在涂层与空气的界面形成一密实的粒子层。H agen[ 13] 提出涂布纸涂层在干燥初期可能在涂层表面形成一层很薄的 固化的薄层 的观点。这些结论都在一定程度上说明涂层在干燥过程中并非均一分散的粒子层。另外, 经典固化机理也不能解释许多已发现的实验结果, 如可变形性胶乳粒子在FCC之后还保持球形[ 3] , FCC 随初始固含量的增加而增加[ 11] 。考虑到水分在涂层表面蒸发能够导致表面涂层的固含量迅速增加, 本课题借鉴乳胶漆干燥机理的研究结构 , 将C ro ll胶乳成膜机理 引入到涂层固化的研究中。乳胶漆也为水性涂料, 在干燥过程中表面胶乳粒子相互接近、变形、黏结并形成胶乳膜。基于Lepou tre经典固化机理, 笔者已提出一个涂层表面形成滤饼层的固化机理 , 并定义LCC ( Latex Coalescence Concentrat ion, 胶乳融合浓度) 为水分蒸发导致胶乳粒子变形与融合时体系的固含量。新机理将涂层固化过程分为4个阶段: 第1阶段, 滤饼形成期, 涂层表面在FCC 时形成滤饼层, 并非整个涂层都达到了半干燥的凝胶态, FCC 为涂层表面滤饼层固含量(较高) 与内部涂料固含量(接近初始固含量) 的平均值; 第2阶段, 滤饼增长期, 涂层滤饼层由表至内增长, 终止于涂料中自由水分消失; 第3 阶段, 毛细管网络收缩/胶乳粒子变形与融合期,在不断增加的毛细管力作用下, 涂层中可变形性胶黏剂粒子逐渐变形, 导致其与颜料粒子黏合在一起, 或者胶黏剂粒子间相互融合; 第4阶段, 凝固期,涂层结构不再随着水分的继续蒸发而变化。新机理建议工业生产时使用适宜强度的干燥涂层, 从而防止涂层内部水分气化引起涂层表面开裂。本研究结合表面光泽度和蒸发速率两种固化过程表征方法, 测定不同固含量涂层性能随固化时间的变化, 并利用已提出的滤饼层固化机理描述涂层固化过程。通过拍摄实验全程的方式来采集数据, 从而确保数据与固化时间同步。分析涂层蒸发速率和表面光泽度随固化时间的变化曲线, 可以得到FCC、SCC以及LCC。本研究为滤饼层的形成提供了一个初步的证明, 以加深对涂层结构形成及其控制机理的理解。1 实 验11 原料高岭土: 茂名高岭科技有限公司生产, 水分100%, 白度870% ~ 900% , pH 值60~ 80, 粒度( 90% ~ 92% ) 2u m。胶乳: 固含量500%, 粒径1583 nm, T g~ 0c ,pH值6~ 7, 黏度 2000 mPa涂料助剂: 分散剂(聚丙烯酸钠) , 表面活性剂, 消泡剂, N aOH (质量分数10% )。以上原料均取自天津某造纸厂。涂布介质: 无吸收性聚酯膜。施涂在吸水性原纸上的涂料比施涂在无吸收性聚酯薄膜上的涂料固化过程更复杂, 使用无吸收性聚酯膜主要是为了避免纸张孔隙可能形成的无规律变化。Lepoutre 等人[ 4] 发现涂料固化的各个阶段基本上等同于施涂在无吸收性聚酯上的涂层。二甲基硅油: 运动黏度( 25C ) % 500 mm2 / s,密度( 25 ) 0970 g /cm3, 挥发分( 150 , 3 h ) 05% 。12 主要设备高速分散器, QJ-90 型多功能搅拌器, 英国RKPrint Coat Instruments Ltd钢丝刮棒, METTLER TOLEDO AL204电子天平, XGP便携式75镜向光泽度仪。13 实验方法131 涂料配制配方: 高岭土100份, 丁苯胶乳15 份, 分散剂03份, 其
他助剂。配制: 按配方比例配制固含量为45%、53%、62%的涂料, 并加入适量NaOH 调节pH 值为78左右。132 涂布方法采用刮棒式涂布器将固含量为45% 、53%、62%的涂料分别施涂于聚酯膜, 均为刮棒施涂使得湿涂层的厚度一定(涂布量25 g /m2 ) , 施涂完后立刻放入测定仪器中自然干燥, 干燥温度均为室温。
