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            涂層光澤度影響因素理論分析研究

            作者:廊坊森卓化工有限公司 來源:本站 發表時間:2018-04-28 09:10:04 查看:
            光澤度影響因素理論分析研究漆膜光澤是漆膜表面的一種光學特征,以其反射光的能力來表示。漆膜的光澤對于偽裝涂料來說是一項很重要的指標。從物理角度來看,光澤被認為是漆膜表面把投射其上的光線向鏡面反射出去的能力,反射光量越大,則光澤越高,這稱為鏡面光澤。鏡面反射方向的反射光稱鏡面反射光,而非鏡面方向的反射光稱擴散反射光。
            本文研究了涂層光澤測量的原理,運用光學理論給出涂層光澤的近似表達,分析了涂層光澤的主要影響因素,理論計算了高光澤和低光澤時涂層的相關特性對涂層光澤的影響。

            對于普通的工程應用,涂層的光澤度一般保持在比較適中的水平,通過簡單的物理化學方法改變涂層的表面狀態,可以實現所需光澤;但是針對一些特種需求,要求涂層具有很高或很低的光澤時,通過改變涂層表面狀態很難實現,此時須從涂層中的填充物質入手考慮改變涂層光澤。
            一、光澤度計算
            光源G發射一束光經過透鏡L1到達被測面P,被測面P將光反射到透鏡L2,透鏡L2將光束會聚到位于光欄B處的光電池,光電池進行光電轉換后將電信號送往處理電路進行處理,然后儀器顯示測量結果。測試方法見圖1。

            設光源G處發射的能量為E,透鏡L2距離涂層距離為R,涂層表面的方向反射率為G(ε1,ε2,σ)(其中ε1和ε2 如圖1中所示,為入射角與反射角,σ 為涂層表面特性),則光電池處接收到的能量可近似為:
            EB=E·G(ε1,ε2,σ,R)·AL 2 ⑴
            式中:AL2為透鏡L2的接收截面。

            原始參照標準應是高度拋光的石英玻璃或黑玻璃,其上表面是平整的,用光學干涉法測量時,每cm不能超過2 個干涉條紋。用波長587.6 nm 單色光測量時折射率為1.567 的玻璃應賦予鏡面光澤值為100。如果這種折射率的玻璃不能得到,則需進行校正。

            二、涂層光澤影響因素分析
            考察光澤公式⑴,由于發射能量和接收截面恒定,因此光澤主要受涂層的表面反射特性影響。涂層的表面反射主要由2部分構成,一部分為菲涅爾反射,另一部分為涂層內部材料的相關參數和結構產生,可表示為:
            G(ε1,ε2,σ,R)=ρf ( ε1,ε2,σ,R)+ρi ( ε1,ε2,σ,R)⑵
            式中:ρf ( ε1,ε2,σ,R)為涂層表觀反射率,由菲涅爾反射決定;ρi ( ε1,ε2,σ,R)與涂層襯底反射、菲涅爾反射以及涂層吸收系數、散射系數相關。

            對于一般光澤涂層,可通過改變較大光澤涂層的表面狀態,調整涂層表面的微觀粗糙度,從而改變涂層的光散射特性,減小涂層的鏡面反射光,使一部分入射光向半球空間發散,從而降低涂層光澤。通常可通過對涂層消光來降低涂層的光澤度。

            結合涂膜表面光澤產生的機理和影響光澤的因素,消光就是采用各種手段,破壞涂膜的光滑性,增大涂膜的表面微觀粗糙度,降低涂膜表面對光線的反射。可以分為物理消光和化學消光2種方式。

            物理消光的原理為:加入消光劑,使涂料在成膜過程,表面產生凹凸不平,增大對光的散射和減少反射。

            化學消光的原理為:靠在涂料中引入一些例如聚丙烯接枝物質類能吸收光線的結構或基團來獲得低光澤。

            但是,當目標涂層所要求光澤度很高或很低時,改變涂層表面狀態已很難有效改變涂層光澤,此時可通過改變涂層的物理特性來獲取高光澤或低光澤涂層,下面作詳細分析。

            2.1 高光澤涂層
            當涂層光澤很高時,涂層鏡面反射明顯,鏡面反射占主導作用,此時涂層的反射率可近似為:
            G(ε1,ε2,σ,R)=ρf ( ε1,ε2,σ,R) ⑶
            此時ε1=ε2,根據菲涅爾反射定律可求得涂層的反射系數,可以得到涂層的光澤為:
            EB =E·ρf ⑷
            由菲涅爾反射定理可得:



            式中:ε'1為涂層中折射角;n1為入射介質折射率;n2為涂層折射率。
            由于光一般從空氣介質照入涂層,因此n1 = 1;將式⑸、⑹、⑺、⑻帶入式⑷可以得到:



            由式⑼、⑽可以看出,涂層光澤和菲涅爾反射率主要受入射角度和涂層折射率影響。由于涂層中有機顏料折射率在1.6 左右,無機顏料折射率在2.5 左右,圖2 給出了入射角度在20°、60°和85°,折射率在1.6 ~2.5 之間變化時,涂層菲涅爾反射率的變化。


            可以看出,當入射角度一定時,涂層的菲涅爾反射率隨涂層折射率的變化不明顯,且不同涂層的折射率變化不明顯,因此不同顏色涂層均能體現出較好光澤。當對涂層光澤要求很高時,改變表面狀態已不能有效改變涂層光澤時,可通過改變涂層中顏料中的折射率來改變涂層的光澤,以20°光澤為例,當涂層的折射率從1.7 增加到2.2 時,其菲涅爾反射率增大一倍,從而可以有效增大涂層的光澤度。

            2.2 低光澤涂層
            當涂層光澤低到一定程度時,其表面接近朗伯面,涂層沒有鏡面反射,且厚度對涂層光散射特性不產生影響時,根據Kubelka-Munk理論,可得到涂層的漫反射率為:



            式中:A為涂層中單位體積的吸收系數,S為單位體積的散射系數,兩者的量綱都是長度的倒數。

            由式⑾中可見,涂層的漫反射率與吸收系數與散射系數之比有關,圖3給出了它們之間的函數關系。當涂層吸收反射比增大時,涂層的漫反射率逐漸減小,當涂層吸收系數趨于0時,漫射系數趨于1;當涂層散射系數趨于0時,涂層漫反射率趨于0。

            從光澤計算公式⑴中可以看出,當涂層是漫反射時,涂層光澤的大小僅與涂層的漫反射率有關,同樣漫反射狀態小涂層的漫反射率越小,其光澤越小。因此當加入消光粉已經難以有效降低涂層的光澤時,可以通過改變加入涂層中顏料或填料的吸收反射比來改變涂層的漫反射率,可有效獲取目標低光澤涂層。

            三、結語
            基于涂層光澤測量的原理,結合光學理論對涂層光澤度進行理論計算,可得到如下結論:

            1)對于一般光澤涂層,可通過改變較大光澤的涂層表面狀態,調整涂層表面的微觀粗糙度,從而改變涂層的光散射特性,獲取不同光澤涂層;

            2)當對涂層光澤要求很高時,改變表面狀態已不能有效改變涂層光澤,可通過改變涂層中顏料中的折射率來改變涂層的光澤;

            3)當對涂層光澤要求很低時,可以通過改變加入涂層中顏料或填料的吸收反射比來改變涂層的漫反射率,可有效獲取目標低光澤涂層
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