涂层光泽度影响因素理论分析研究

data-full-width-responsive="true"> 涂层光泽度影响因素理论分析研究潘家亮1，王佰森2 ，张拴勤1，徐怡1，卢言利1（1总装工程兵科研一所，江苏无锡214035；2江阴市大阪涂料有限公司，江苏无锡214413）漆膜光泽是漆膜表面的一种光学特征，以其反射光的能力来表示。漆膜的光泽对于伪装涂料来说是一项很重要的指标[1]。从物理角度来看，光泽被认为是漆膜表面把投射其上的光线向镜面反射出去的能力，反射光量越大，则光泽越高，这称为镜面光泽。镜面反射方向的反射光称镜面反射光，而非镜面方向的反射光称扩散反射光[2]。对于普通的工程应用，涂层的光泽度一般保持在比较适中的水平，通过简单的物理化学方法改变涂层的表面状态，可以实现所需光泽；但是针对一些特种需求，要求涂层具有很高或很低的光泽时，通过改变涂层表面状态很难实现，此时须从涂层中的填充物质入手考虑改变涂层光泽。本文研究了涂层光泽测量的原理，运用光学理论给出涂层光泽的近似表达，分析了涂层光泽的主要影响因素，理论计算了高光泽和低光泽时涂层的相关特性对涂层光泽的影响。1 光泽度计算光源G 发射一束光经过透镜L1 到达被测面P，被测面P 将光反射到透镜L2，透镜L2 将光束会聚到位于光栏B 处的光电池，光电池进行光电转换后将电信号送往处理电路进行处理，然后仪器显示测量结果。测试方法见图1[3]。设光源G 处发射的能量为E，透镜L2 距离涂层距离为R，涂层表面的方向反射率为G（1，2，）（其中1和2 如图1 中所示，为入射角与反射角， 为涂层表面特性），则光电池处接收到的能量可近似为：EB＝EG（1，2，，R）AL 2 ⑴式中：AL 2 为透镜L2 的接收截面。原始参照标准应是高度抛光的石英玻璃或黑玻璃，其上表面是平整的，用光学干涉法测量时，每cm不能超过2 个干涉条纹。用波长5876 nm 单色光测量时折射率为1567 的玻璃应赋予镜面光泽值为100。如果这种折射率的玻璃不能得到，则需进行校正。2 涂层光泽影响因素分析考察光泽公式⑴，由于发射能量和接收截面恒定，因此光泽主要受涂层的表面反射特性影响[4]。涂层的表面反射主要由2 部分构成，一部分为菲涅尔反射，另一部分为涂层内部材料的相关参数和结构产生，可表示为[5]：G（1，2，，R）＝f （ 1，2，，R）+i （ 1，2，，R）⑵式中：f （ 1，2，，R）为涂层表观反射率，由菲涅尔反射决定；i （ 1，2，，R）与涂层衬底反射、菲涅尔反射以及涂层吸收系数、散射系数相关。对于一般光泽涂层，可通过改变较大光泽涂层的表面状态，调整涂层表面的微观粗糙度，从而改变涂层的光散射特性，减小涂层的镜面反射光，使一部分入射光向半球空间发散，从而降低涂层光泽。通常可通过对涂层消光来降低涂层的光泽度。结合涂膜表面光泽产生的机理和影响光泽的因素，消光就是采用各种手段，破坏涂膜的光滑性，增大涂膜的表面微观粗糙度，降低涂膜表面对光线的反射。可以分为物理消光和化学消光2 种方式。物理消光的原理为：加入消光剂，使涂料在成膜过程，表面产生凹凸不平，增大对光的散射和减少反射。化学消光是靠在涂料中引入一些例如聚丙烯接枝物质类能吸收光线的结构或基团来获得低光泽。但是，当目标涂层所要求光泽度很高或很低时，改变涂层表面状态已很难有效改变涂层光泽，此时可通过改变涂层的物理特性来获取高光泽或低光泽涂层，下面作详细分析。21 高光泽涂层当涂层光泽很高时，涂层镜面反射明显，镜面反射占主导作用，此时涂层的反射率可近似为：G（1，2，，R）＝f （ 1，2，，R） ⑶此时1 ＝ 2，根据菲涅尔反射定律可求得涂层的反射系数，可以得到涂层的光泽为：EB ＝Ef ⑷由菲涅尔反射定理可得[6]：式中：＇1 为涂层中折射角；n1 为入射介质折射率；n2 为涂层折射率。由于光一般从空气介质照入涂层，因此n1 = 1；将式⑸、⑹、⑺、⑻带入式⑷可以得到：由式⑼、⑽可以看出，涂层光泽和菲涅尔反射率主要受入射角度和涂层折射率影响。由于涂层中有机颜料折射率在16 左右，无机颜料折射率在25 左右，图2 给出了入射角度在20和85，折射率在16 ~25 之间变化时，涂层菲涅尔反射率的变化。可以看出，当入射角度一定时，涂层的菲涅尔反射率随涂层折射率的变化不明显，且不同涂层的折射率变化不明显，因此不同颜色涂层均能体现出较好光泽。当对涂层光泽要求很高时，改变表面状态已不能有效改变涂层光泽时，可通过改变涂层中颜料中的折射率来改变涂层的光泽，以20光泽为例，当涂层的折射率从17 增加到22 时，其菲涅尔反射率增大一倍，从而可以有效增大涂层的光泽度。22 低光泽涂层当涂层光泽低到一定程度时，其表面接近朗伯面，涂层没有镜面反射，且厚度对涂层光散射特性不产生影响时，根据Kubelka-Munk 理论，可得到涂层的漫反射率为[7]：式中：A 为涂层中单位体积的吸收系数，S 为单位体积的散射系数，两者的量纲都是长度的倒数。由式⑾中可见，涂层的漫反射率与吸收系数与散射系数之比有关，图3 给出了它们之间的函数关系。当涂层吸收反射比增大时，涂层的漫反射率逐渐减小，当涂层吸收系数趋于0 时，漫射系数趋于1；当涂层散射系数趋于0 时，涂层漫反射率趋于0。从光泽计算公式⑴中可以看出，当涂层是漫反射时，涂层光泽的大小仅与涂层的漫反射率有关，同样漫反射状态小涂层的漫反射率越小，其光泽越小。因此当加入消光粉已经难以有效降低涂层的光泽时，可以通过改变加入涂层中颜料或填料的吸收反射比来改变涂层的漫反射率，可有效获取目标低光泽涂层。3 结语基于涂层光泽测量的原理，结合光学理论对涂层光泽度进行理论计算，可得到如下结论：1）对于一般光泽涂层，可通过改变较大光泽的涂层表面状态，调整涂层表面的微观粗糙度，从而改变涂层的光散射特性，获取不同光泽涂层；2）当对涂层光泽要求很高时，改变表面状态已不能有效改变涂层光泽，可通过改变涂层中颜料中的折射率来改变涂层的光泽；3）当对涂层光泽要求很低时，可以通过改变加入涂层中颜料或填料的吸收反射比来改变涂层的漫反射率，可有效获取目标低光泽涂层。