受控湿度下涂料干燥行为的对比分析: 配方对涂层性能的影响

了解涂料的干燥特性对于行业应用至关重要,因为干燥过程决定了涂层的性能与耐久性,从而确保其能提供长期的防腐蚀和抗机械磨损保护。该过程决定了液态涂料如何转变为固态漆膜,并影响附着力、耐久性及表面涂层质量等关键性能。

本应用说明探讨的涂料类型包括水性涂料、功能性水性涂料和油性涂料。这些涂料在干燥特性上的差异,主要取决于其成膜机理。成膜过程可通过物理干燥、化学固化或两者结合的方式进行。以丙烯酸涂料为例,水性涂料的干燥过程包括水分蒸发和随后的聚合物颗粒聚结。随着水分蒸发,颗粒相互堆积并融合,最终形成连续的漆膜。湿度和温度等环境条件在此过程中起着重要作用,因为这两个参数直接决定了水分的蒸发速率。

例如,若暴露在高湿度环境下,干燥过程会减慢,并可能导致成膜不完整。油性涂料使用有机溶剂,其干燥过程分为两个阶段:首先是溶剂挥发,随后是氧化交联。在溶剂初步挥发后,成膜物质(粘结剂)与氧气发生反应,形成化学交联网络结构。这意味着与水性涂料相比,油性涂料的干燥过程受湿度影响较小,但更依赖于氧气供应和温度。

本应用说明利用动态蒸气吸附(DVS)技术来测定涂料的干燥过程;DVS是一种通过监测溶剂挥发引起的质量损失来进行测量的重量分析技术。利用这些方法可获得干燥曲线(即水分含量随时间变化的曲线)。要理解并比较涂料的干燥特性,关键在于考察涂层形成的速度与均匀性。

研究人员从Kilz和Behr品牌中选取了六种市售涂料配方,以涵盖多种涂料化学体系与功能,其中包括底漆、面漆及封闭涂层系统。这些样品包括:水性底漆(涂料A)、油性醇酸底漆(涂料B)、丙烯酸平光漆与水性底漆组合(涂料 C)、丙烯酸高光瓷漆(涂料D)、底漆/封闭漆(涂料E)以及丙烯酸着色/封闭漆(涂料F)。这种选样方式使得研究人员能够比较水性体系与溶剂型体系,并考察那些预期表现出不同干燥及扩散特性的涂料。

干燥过程的测量采用动态水蒸气吸附(DVS)仪进行,旨在受控环境条件下监测质量随时间的变化情况。实验在25°C恒温及200sccm空气载气流量的条件下进行。相对湿度(RH)按0%、20%、40%、60%、80%和95%的梯度分步调节,以评估环境条件对干燥动力学的影响。为确保样品处理的一致性,涂料样品被涂覆在固定于美纹纸胶带上的载玻片上。

每个湿度梯度下的测量持续180分钟;在95%RH条件下,测量时间延长至720分钟,以便监测较缓慢的、受扩散控制的干燥行为。整个实验过程中持续记录质量变化;当质量变化速率达到稳态(dm/dt≈0.05%)时,即视为干燥过程结束。

这六种涂料的干燥特性已根据配方类型和功能特性进行了分组。第1组包括涂料A(底漆)和涂料C(平光涂料),两者均为水性配方。第2组包括涂料D(高光涂料)和涂料E(封闭漆),它们属于功能性水性配方;通过改性成膜性能,涂料D可形成高光泽漆膜,而涂料E则作为无孔屏障或封闭层发挥作用。第3组包括涂料B(油性漆)和涂料F(着色/封闭漆),属于专用涂料体系;其中涂料B为油性底漆,涂料F为丙烯酸类着色/封闭漆。

图1展示了第1组涂料体系的干燥特性。这两种涂料均表现出水性涂料典型的两阶段干燥行为:首先是恒速表面蒸发阶段,随后是受溶剂在已形成固体漆膜中扩散控制的降速干燥阶段。其干燥过程高度依赖于相对湿度,这与水性涂料以蒸发为主导的干燥机制相一致。在低相对湿度(0–20%)条件下,两种涂料均表现出快速的质量损失,表明初始蒸发速率高且水分能从涂料配方中排出。随着湿度的增加,干燥速率逐渐降低,在相对湿度为80–95%时干燥时间显著延长。与涂料C相比,涂料A的整体干燥速度稍快:涂料A的质量在约700分钟内持续缓慢下降,而涂料C的质量在约150–200分钟时即趋于平稳,这表明涂料A的干燥更为彻底。dm/dt(质量变化率)干燥速率曲线也支持这一结论:在高湿度条件下,涂料A在300分钟后仍保持负速率并逐渐趋于平衡;相比之下,涂料C虽较早稳定,但保留了更多溶剂,这表明涂料A的整体干燥效果更佳。这种差异归因于底漆配方(可能含有较低的固含量或较多挥发性组分),而平光涂料较高的粘结剂和填料含量则会减缓溶剂流失并延缓干燥过程。

▲图1. 第1组涂料(涂料A和C)的质量随时间的变化及相应的干燥速率(dm/dt)曲线

图2展示了第2组涂料的测试结果。尽管它们同样属于水性产品,但由于其作为光泽面漆(涂料D)和封闭底漆(涂料E)的功能特性,其干燥行为与第1组涂料有所不同。这两种涂料均表现出与蒸发驱动干燥过程相符的初始快速质量损失,但在不同相对湿度(RH)下的表现存在差异。在质量变化曲线图中,第2组涂料在高相对湿度(80%–95%)下呈现出更为平缓的干燥曲线,表明其溶剂滞留程度高于第1组涂料。这一点在涂料D中尤为明显:在95%相对湿度条件下,其质量曲线在整个实验期间呈持续缓慢下降趋势,表明干燥时间较长。两种涂料的dm/dt(质量变化速率)曲线也印证了上述质量变化结果,显示干燥过程从最初的蒸发控制阶段转变为长期的扩散受限阶段;特别是在95%相对湿度条件下(尤其是涂料D),dm/dt值始终保持为负。这种行为与其功能定位相一致:光泽磁漆(涂料D)形成的表面层更为致密且渗透性较低,而底漆/封闭漆(涂料E)的设计初衷即在于降低孔隙率并抑制水分迁移 。因此,与标准水性体系相比,这两种涂料均表现出较慢的干燥特性,在高湿度环境下尤为显著。

▲图2.第2组涂料(涂料D和E)的质量随时间的变化及相应的干燥速率(dm/dt)曲线

图3展示了代表两种非典型干燥机制的第3组涂料。油性底漆“涂料B”表现出极低的相对湿度(RH)依赖性,在各种湿度条件下均呈现相似的质量损失曲线。其质量在最初40分钟内迅速下降,随后趋于稳定;在所有湿度阶段,质量变化速率(dm/dt)均迅速且一致地趋近于零。这表明其干燥过程主要受醇酸树脂粘结剂的氧化固化作用控制。在溶剂初步挥发后,交联网络的形成依赖于与大气中氧气的反应,从而降低了该过程对湿度的敏感性,呈现出油性涂料的典型特征。相比之下,丙烯酸类着色剂/封闭剂“涂料F”则表现出强烈的湿度依赖性,类似于水性涂料配方,但干燥时间更长。质量变化曲线显示,在低湿度条件下溶剂损失显著;而在高湿度(95%RH)条件下,干燥过程随时间推移缓慢进行,未出现明显的平台期。dm/dt曲线证实了这一点,显示出伴随持续水分扩散的缓慢干燥过程。这种特性源于基材效应,这在丙烯酸类着色剂和封闭剂配方中十分常见。在此类体系中,涂层与被涂基材发生强烈相互作用,渗透进入基材内部,而非仅仅形成附着于表面的薄膜。该配方较低的粘度使其能够渗入材料内部,导致部分溶剂被吸附到表面以下,而非直接挥发。因此,干燥过程变得更为复杂,既涉及表面蒸发,也涉及基材内部的溶剂扩散。这与“涂料F”观察到的现象一致:其干燥曲线更为平缓且多变,反映了蒸发作用与材料内部溶剂迁移的共同影响。

▲图3.第3组涂料(涂料B和F)的质量随时间的变化及相应的干燥速率(dm/dt)曲线

解读各类涂料配方干燥特性的另一种方法,是比较它们在图4所示不同相对湿度(RH)下的表现。在低湿度(0%RH)条件下,所有涂料的干燥曲线相似;这表明在以蒸发为主导的干燥环境下,不同配方间的差异并不显著,且各类涂料的溶剂去除效率都很高—尽管水性与油性配方各自潜在的干燥机理可能存在差异。随着湿度升高(20%、30%和40%),这些差异变得愈发明显。而在最高湿度水平(80%和95%)下,差异则更为显著:涂料B的表现基本保持不变,证实了其以固化为主导的干燥特性;涂料D和E表现出最高的溶剂残留量;涂料F则呈现出更为缓慢、渐进的干燥过程。

▲图4.按相对湿度(0–95%RH)分组的所有涂料配方的质量随时间变化

DVS(动态蒸气吸附法)已被证明是一种综合性工具,能够揭示涂料的干燥行为受配方及与相对湿度相互作用的共同支配。标准水性涂料表现出以蒸发为主导的干燥过程,并能清晰地过渡到受扩散限制的阶段;相比之下,光泽涂料和封闭涂料等功能性涂料因涂层内部溶剂扩散缓慢而干燥较慢。与之形成鲜明对比的是,油性涂料的干燥过程基本不受湿度影响,这反映了氧化固化在其中起主导作用。丙烯酸封闭涂料的配方则因内部溶剂的相互作用而呈现出更为复杂的干燥行为。综合来看,这些结果表明,干燥性能取决于蒸发、扩散、化学固化与配方特性之间的平衡,而这些因素共同决定了涂料在不同湿度条件下的成膜效率。