Влияние объемного содержания пигментов на оптические свойства композиционных материалов

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 12Следующая ⇒

Объемное содержание пигментов является одним из основных факторов, определяющих оптические, и, в том числе, колористические свойства композиционных покрытий. С увеличением объемного содержания пигментов в составе композиционных материалов до определенной величины оптическая плотность материалов увеличивается, при этом поглощение света преобладает над светорассеянием для материалов, поглощающих в видимой области. В результате этого при увеличении содержания пигментов наблюдается уменьшение светлоты для покрытий, наполненных различными пигментами, поглощающих в видимой области спектра.

При увеличении величины наполнения чистота цвета возрастает для синих образцов, что объясняется преобладанием избирательного поглощения света над светорассеянием для покрытий, поглощающих в длинноволновой области спектра. Это связано с ростом числа агломерированных пигментных частиц и увеличением их размера. Для красных образцов характерно уменьшение чистоты цвета, что связано с ростом поглощения света в длинноволновой области спектра [20-22].

Область критического наполнения соответствует переходу от матричного распределения частиц наполнителя или пигмента в объеме композиционного материала к контактному. В этой области частицы наполнителя или пигмента контактируют друг с другом через адсорбционные оболочки, а пространство между частицами заполнено полимером. Непрерывность полимерной фазы может сохраняться за счет адсорбционных оболочек. Именно в области критического наполнения наблюдается резкое изменение хода зависимостей большинства свойств наполненных композиционных материалов от содержания в них наполнителей или пигментов (изменяются реологические свойства лакокрасочных материалов, блеск, механические и защитные свойства покрытий) (рисунок 8) [2, 22].

1 – паро- и газопроницаемость, 2 – блеск, 3 – прочность при разрыве.

Рисунок 8 – Зависимость свойств пигментированных композиционных материалов от объемного содержания пигмента

Теоретически для сферических частиц, независимо от их диаметра, при наиболее плотной гексагональной упаковке φ _кр должно составлять 0, 74 общего объема системы.

φ _кр=0, 74 V_общ;

Практически полидисперсные частицы упакованы не идеально плотно и φ _кр составляет обычно менее 0, 55 общего объема.

В ряде лакокрасочных покрытий объемное содержание пигмента превышает критическое. К таким материалам относятся фасадные краски и краски для внутренней отделки помещений, у которых для обеспечения паропроницаемости покрытия необходима определенная пористость.

Оптические свойства наполненных систем в закритической области наполнения рассмотрены в работе [22]. При повышении содержания пигмента выше критического обычно имеет место резкое возрастание укрывистости. В области, где объемная доля пигментов или наполнителей φ превышает ее критическое значение φ _кр, существенный вклад в совокупность свойств наполненных полимерных материалов вносит наличие в них пустот (воздуха), то есть пористость. При увеличении содержания наполнителя в их составе объемное наполнение растет вплоть до φ _кр. В закритической области оно остается практически постоянным, причем часть полимера замещается воздухом, т.е. материал становится пористым. Исходя из постоянства объемной доли наполнителя или пигмента в закритической области, Стигом введен индекс пористости, характеризующий объемную долю воздуха в промежутках между частицами.

Объемная доля наполнителя или пигмента φ ’ в сумме их объемов с воздухом равна:

;

где

а объемная доля пор, заполненных воздухом составляет:

;

Используя правило Дункана и выражения для расчета φ ’ и φ _в,можно представить величину функции ГКМ для наполнений, при которых φ > φ _кр, в виде:

;

где К_п и К_в – коэффициенты поглощения соответственно пигмента (наполнителя) и пор для избранной длины волны;

S_п и S_в – коэффициенты рассеяния соответственно пигмента (наполнителя) и пор для избранной длины волны.

Учитывая, что для участка спектра, соответствующего максимуму поглощения света, вторым слагаемым в числителе (К_в^.Ф) можно пренебречь, получаем:

;

Это выражение может быть представлено в линейной форме:

;

или ;

где F_п – функция ГКМ для чистого пигмента (наполнителя).

Обозначив и , получим:

;

Коэффициенты а и b могут быть определены в результате обработки экспериментальных данных по методу наименьших квадратов. Значения коэффициентов а и b и функции ГКМ для чистого пигмента (наполнителя), определенные на участке спектра диффузного отражения, соответствующего максимуму поглощения света, позволяют вычислить величину критического наполнения [22]:

;

Для хроматических пигментов и поглощающих свет ахроматических а< 0 и b> , для белых пигментов – а> 0 и b< .

Исходя из вышесказанного, зависимость функции ГКМ при φ > φ _кр от объемной доли пигмента (наполнителя) может быть выражена следующим образом [22]:

;

При φ > φ _кр> 10% функция ГКМ очень мало зависит от объемного наполнения. Поэтому F_п может быть определена при любых значениях φ, но желательно ближе к ожидаемому значению φ _кр, вычисленному, например, по маслоемкости пигмента, с использованием уравнения [22]:

;

где М – маслоемкость пигмента, г масла/100 г пигмента;

ρ _с и ρ _п – плотности полимерной матрицы и пигмента (наполнителя), кг/м³;

Значения функции ГКМ должны вычисляться по скорректированным коэффициентам диффузного отражения ρ _корр с учетом поправок на внутренние и внешние отражения с использованием уравнения Саундерсона.

Если спектры диффузного отражения получены с использованием ловушки зеркальной составляющей, то ρ _корр вычисляется по уравнению:

;

где - коэффициент диффузного отражения бесконечно толстого слоя материала;

r – коэффициент, учитывающий отражение на границе с воздухом;

r_i – коэффициент, учитывающий отражение диффузного светового потока от нижней стороны слоя.

r и r_i могут быть вычислены по формулам [22]:

;

где n – показатель преломления полимерной матрицы.

Определение укрывистости

Одним из важнейших оптических показателей пигментов и пигментированных материалов, которые необходимо учитывать при разработке системы лакокрасочных покрытий, является способность покрытия делать невидимой поверхность, на которую оно нанесено. Особенно это важно при формировании на поверхности очень тонких красочных слоев при скоростных методах нанесения.

Укрывистость, красочной пленки определяется отражением и поглощением света, которые, в свою очередь, являются следствием рассеяния и поглощения света частицами пигмента. Согласно ГОСТ 8784-75 под укрывистостью понимают массу материала, отнесенную к единице поверхности при условии, что коэффициент контрастности между участками над черной поверхностью подложки и белой не менее 0, 98. Единица измерения - г/м².

Величина, обратная укрывистости, носит название кроющая способность. Кроющая способность показывает площадь в м², которую можно укрыть, израсходовав 1 кг пигмента или лакокрасочного материала.

Кроющая способность выражается в м²/кг, в Европейских странах – м²/л.

Как было отмечено выше, по теории Рэлея и теории Ми рассеяние света возрастает с ростом показателя преломления частиц дисперсной фазы (точнее с ростом разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды). Действительно, кроющая способность белых пигментов с ростом показателя преломления n сильно возрастает (таблица 1) [2, 3, 17].

Таблица 1 –Укрывистость и кроющая способность белых пигментов

Пигмент	Показатель преломления	Укрывистость, г/м²	Кроющая способность, м²/кг
Диоксид титана: рутил анатаз	2, 72 2, 55	25-40 30-45	40-25 33-22
Оксид цинка (ZnO)	2, 05	100-140	10-7
Литопон (ZnS^.BaSO₄)	1, 84	110-140	9-7
Свинцовые белила (2PbCO₃^.Pb(OH)₂)	1, 94-2, 0	140-200	7-5

Укрывистость интенсивно окрашенных и черных покрытий определяется главным образом поглощением света.

Для хроматических пигментов значение коэффициентов рассеяния и поглощения различны на разных длинах волн. Хроматические пигменты, обладающие кроющей способностью должны иметь высокий коэффициент рассеяния только в минимуме поглощения, так как рассеяние в максимуме приводит к снижению чистоты цвета.

Пигменты, не обладающие кроющей способностью, так называемые лессирующие, имеют низкие коэффициенты рассеяния в видимой области спектра, недостаточно высокие для обеспечения кроющей способности коэффициенты поглощения или размеры частиц, при которых, практические не наблюдается рассеяния света (чаще всего менее 100 нм).

Пластинчатые и чешуйчатые частицы пигментов, имеющие более плотную упаковку по сравнению со сферическими, обладают более высокой кроющей способностью. Такие частицы способны к листованию в покрытии, за счет чего происходит перекрывание рассеянного светового потока [2, 3].

В общем случае, равномерное распределение частиц пигментов в покрытии способствует росту укрывистости при оптимальном наполнении.

Методы определения укрывистости [2, 18, 23, 24]:

Визуальный метод.

С помощью шахматной доски визуально определяют толщину слоя краски на стеклянной пластине, при которой достигается полная укрывистость. Стеклянная пластина считается укрытой, если глаз человека перестает видеть черно-белую подложку шахматной доски (рисунок 9) [18, 23].

Рисунок 9 – Шахматная доска

При определении укрывистости визуальным методом краску следует наносить при постепенном увеличении толщины покрытия до того момента, когда черно-белая подложка становится невидимой.

Коэффициент отражения шахматной доски, измеряемый на белом поле должен быть от 0, 80 до 0, 85, на черном поле - не более 0, 05.

Укрывистость высушенной пленки (Д) в г/м² вычисляют по формуле:

где m₁ – масса пластинки с высушенной пленкой, г;

m₀ – масса неокрашенной пластинки, г;

S – площадь поверхности пластины, мм²;

Укрывистость невысушенной лакокрасочной пленки (Д_н) в г/м², вычисляют по формуле:

где m₁’ – масса пластинки с невысушенным лакокрасочным материалом, г;

m₀ – масса неокрашенной пластинки, г;

S – площадь поверхности пластины, мм².

Укрывистость пигмента (Д_п) в г/м² вычисляют по формуле:

где m₁ – масса пластинки со слоем краски, г;

m₀ – масса неокрашенной пластинки, г;

m_п – масса пигмента, израсходованного при получении краски, г;

m_м – масса пленкообразователя, израсходованного при получении краски, г.

За результат испытания принимают среднее арифметическое трех параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 5% от среднего арифметического значения.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒