6.10.1. Пропускание, поглощение и отражение света покрытиями

Оптическую область спектра электромагнитных колебаний чаще всего воздействующих на лакокрасочные покрытия, составляют видимые лучи (l = 7,2×102¸3,8×102 нм), инфракрасное           (l = 4×105¸7,2×102 нм) и ультрафиолетовое излучение (l = 3,8×102¸2×10 нм). Закономерности преломления, поглощения и отражения этих лучей при прохождении через систему внешняя среда-пленка-подложка одинаковы; результаты различаются только в количественном отношении.

Оптические свойства лакокрасочных покрытий характеризуются коэффициентами отражения , пропускания и поглощения :

(6.31)

где Фо,
,
,
- падающий, отраженный, пропущенный и поглощенный потоки излучения соответственно.

При характеристике терморегулирующих свойств и укрывистости покрытий важны также коэффициенты излучения и преломления (отношение скоростей света в вакууме и в среде).

Лакокрасочные покрытия являются оптически неоднородными средами. Это обусловлено особенностями их структуры, наличием пигментов и наполнителей, несовместимых компонентов и примесей, что предопределяет для таких покрытий объемное светорассеяние. Изменение светового потока (отражение, поглощение, рассеяние) вызывает также подложка, особенно заметное при толщине покрытий до 20 мкм.

Одним из важных факторов, изменяющим оптические свойства, является рельеф поверхности покрытий. В зависимости от свойств поверхностей покрытия и подложки будет преобладать диффузионное или зеркальное отражение.

В совокупности влияния различных факторов в реальных условиях оптическое поведение покрытий весьма сложно (рис. 6.16).

а                                                б

Рис. 6.16. Схема преломления, отражения и рассеяния света лакокрасочным покрытием в идеальном (а) и реальном (б) случаях:

I - воздух; II - пленка; III - подложка

Блеск покрытий. Блеск (глянец) покрытий определяется их отражательной способностью. На практике наибольший интерес представляют покрытия с предельными значениями отражательной способности: высокоглянцевых (максимальный глянец), и глубокоматовых (минимальный глянец).

Блеск пигментированных и непигментированных покрытий в большей степени зависит от шероховатости их поверхностей (рис. 6.17).

Рис. 6.17. зависимость блеска покрытий от шероховатости их поверхности

Один из приемов получения высокоглянцевых покрытий - облагораживание поверхности  (шлифование и полирование). При этом с уменьшением высоты неровностей поверхности наступает момент, когда рассеяние практически исчезает и наблюдается практически зеркальная составляющая отраженного света. Это условие выполняется в том случае, когда высота неровностей h будет значительно меньше длины падающего света :

h <<или h×<<1,                                         (6.32)

где и
- углы падения света и наблюдения соответственно.

Блеск зависит от природы лакокрасочного материала. Наибольшим блеском характеризуются покрытия, сформированные из растворов и расплавов пленкообразователей. Флокуляция пигментов в момент пленкообразования, приводящая к отслаиванию лака в поверхностном слое, увеличивает блеск покрытий.

Применение же дисперсных материалов, красок с повышенной тиксотропией, большим содержанием пигментов и со специальными матирующими добавками (аэросил, воски, стеараты металлов и др.) приводит к образованию полуматовых, матовых или глубокоматовых покрытий. Непигментированные матовые покрытия получают при использовании специальных лаков. Матирование возможно и использованием чисто технологических приемов: нанесением лаков и красок пневмораспылением при повышенном давлении, обработкой покрытий мягкими абразивами и др.

В соответствии с ГОСТ 9032-74 покрытия по внешнему виду (блеску в %) делятся на

высокоглянцевые ³60;

глянцевые                50-59

полуглянцевые        37-49;

полуглянцевые        20-36;

матовые                     4-19;

глубокоматовые          £ 3.

Покрытия с высоким блеском используются для отделки мебели, бытовой техники, музыкальных инструментов, автомобилей и др. Матовые покрытия используются в приборостроении, строительстве и др.

Лакокрасочная промышленность выпускает широкий ассортимент матовых и полуматовых эмалей на основе мочевиноформальдегидных, алкидных, эпоксидных, виниловых, полиакрилатных олигомеров (МЧ-240М, МЧ-240ПМ, ПФ-19М, ПФ-214М, ПФ-214ПМ, ЭП-716, ХС-1107М, ХС-1107ГМ, АК-512 и др.).

Прозрачность покрытий.В видимой области спектра прозрачны только непигментированные покрытия, но за ее пределами прозрачность возможна и в пигментированных покрытиях.

Факторы прозрачности в видимой области - чистота лицевой и оборотной поверхностей пленки (или подложки) и степень ее однородности. Содержание в пленкообразователе несовместимых с ним веществ (воздух, выпавший сиккатив и другие примеси, кристаллические дискретные образования) с показателем преломления, отличным от показателя преломления пленкообразователя, снижает светопропускание покрытий, делает их опалесцирующими или недостаточно прозрачными.

Свойства пленкообразователей для прозрачных покрытий - чистота, однородность состава, бесцветность должны длительно сохраняться при эксплуатации покрытий. Этими свойствами в полной мере обладают полиакрилатные, полиарилатные, полистирольные, полиэфирные, поливинилацетатные, этилцеллюлозные, мочевино - и циклогексанонформальдегидные пленкообразователи. Лаки на их основе надежно зарекомендовали себя при отделке полиграфической продукции, изделий из древесины, при лакировании картин, защите оптики.

В ИК-области наиболее прозрачны полимеры без структурных связей, способные к проявлению больших колебаний: полимеры и сополимеры фторолефинов, полиолефины, поливинилхлорид. В ближней ИК-области хорошо пропускают лучи и многие другие пленкообразователи, причем их спектральные характеристики мало зависят от присутствия пластификаторов и остаточного растворителя, но пигменты и наполнители снижают прозрачность.

Пропускание света пленками в УФ-области спектра подчиняется другим закономерностям (рис. 6.18, кривые 1-3).

Степень поглощения лучистой энергии пленкообразователем резко увеличивается в коротковолновой области спектра при £340 нм, исключая полифторолефины (»250 нм). Пигменты и специальные вещества обеспечивают варьирование спектральных характеристик покрытий. Например, цинковые белила, сульфат бария, сульфид цинка, диоксид титана поглощают основную массу УФ-излучения. Технический углерод однако более прозрачен в УФ-области спектра, чем в видимой и инфракрасной. Поэтому белое покрытие с оксидом цинка в УФ-свете кажется черным, а черное с техническим углеродом, - наоборот, белым.

Рис. 6.18. Кривые светопропускания в УФ-области спектра пленками, полученными из лаков:

1 - полиакрилатного; 2 - ацетилцеллюлозного; 3 - меламиноалкидного; 4 - ацетилцеллюлозного с 0,3% 2-гидрокси-4-метоксибензофенона; 5 - ацетилцеллюлозного с 0,55 2,2¢-дигидрокси-4-метоксибензофенона

Наряду с пигментами интенсивно увеличивают светопоглощение в УФ-области (между 300 и 400 нм) производные гидроксибензофенона, ферроцена, бензотриазолы, арилсалицилаты, бензидин, фенолят меди и др.

Покрытия, содержащие подобные соединения, используют в качестве светофильтров. Так, стекла, покрытые лаками с УФ-адсорбентами, защищают от проникновения УФ-лучей витрины магазинов и другие объекты.

Изучение спектрального поведения материалов в широком диапазоне длин волн важно для создания маскирующих покрытий.

Цвет и видимость покрытий. Цветовые характеристики покрытий (кроме битумных) создаются в основном за счет пигментов или газонаполнения. При этом кроющая способность определяется разностью показателей преломления пигмента (или газа) n1 и пленкообразователя n2. По Френкелю доля монохроматического светового потока R, прошедшего через границу раздела, равна

(6.33)

а цвет покрытий - степенью избирательного (селективного) поглощения и отражения падающего на них света.

Показатель преломления большинства непигментированных пленок на границе с воздухом составляет - 1,48 (для поливинилацетатных); - 1,60 (для эпоксидных); для белых пигментов и наполнителей - 1,6-2,7.

Кроющая и отражательная способность (при постоянстве состава пигментной части) выше у тех покрытий, которые изготовлены на основе пленкообразователей с более низкими показателями преломления. Это определяет видимость покрытий.