Процесс сушки полиуретановой дисперсии на водной основе

Seaton New Materials уделяет особое внимание исследованиям и разработкам продуктов, а также технологическим инновациям и стремится улучшить качество продукции. В исследованиях и разработках продуктов обращайте внимание на технические обмены и обучение, учитесь на сильных сторонах друг друга и добивайтесь прогресса вместе.

Ниже для читателей составлен «Процесс сушки полиуретановой дисперсии на водной основе», опубликованный внутренним сообщением Seaton.

Во-первых, основная теория дисперсионной сушки

1. Улетучивание чистой воды

Кратко определим несколько понятий об улетучивании воды:

Улетучивание воды: относится к процессу преобразования жидкой воды в газообразное состояние, относится к улетучиванию воды в некипящем состоянии, является своего рода поверхностным испарением, представляет собой процесс выхода молекул воды с поверхности жидкой воды во внешнюю космическую среду.

Скрытая теплота испарения воды: молекулам воды требуется энергия для улетучивания из жидкости в воздух. Определение: Тепло, необходимое на единицу массы воды для улетучивания в воздух, представляет собой скрытую теплоту улетучивания воды (Дж / г).

Улетучивание воды имеет 2 характеристики:

Во-первых, скрытая теплота улетучивания воды особенно велика и достигает 2260 Дж/г. По сравнению с органическими растворителями с аналогичными температурами кипения, такими как толуол, скрытая теплота улетучивания составляет всего 367 Дж / г, а скрытая теплота улетучивания воды более чем в 6 раз выше, чем у толуола, то есть улетучивание воды требует большего количества тепла.

Второе: когда вода улетучивается, в самой атмосферной среде есть водяной пар, и уже существует давление водяного пара, которое будет влиять на улетучивание воды. Когда давление пара наружной воды насыщается, улетучивание воды прекращается.

2. Улетучивание воды водных дисперсий

Vanderhoff et al. (1973) обнаружили, что улетучивание влаги латекса можно разделить на 3 стадии: во-первых, стадия улетучивания с равномерной скоростью; Затем следует фаза испарения замедления; Наконец, существует фаза медленного испарения, которая постепенно прогрессирует до летучей скорости, равной 0. Появляется корка.

Croll et al. (1986) обнаружили, что некоторое высыхание латекса существует только в 2 стадии: равномерная фаза и медленная стадия. Без корки.

Как сушка стадии 3, так и сушка стадии 2 существуют в процессе сушки дисперсией, и ключевое различие заключается в том, есть ли «корка» на поверхности во время процесса сушки.

3. Вертикальная сушка и горизонтальная сушка

В процессе сушки дисперсии, поскольку вода может только улетучиваться с ее поверхности, результат улетучивания неизбежно вызовет концентрацию определенных областей и образует неравномерную концентрацию.

Эксперименты по сушке латекса показали, что в процессе сушки частицы распределяются неравномерно, что может происходить как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Неровности, которые появляются в вертикальном направлении, называются вертикальной сушкой.

Неровности, которые появляются в горизонтальном направлении, называются горизонтальной сушкой.

Вертикальная сушка - это явление, которое должно существовать при сушке латекса:

1. Когда вода улетучивается с поверхности, частицы будут концентрироваться на поверхности латекса.

2. При концентрации частиц на поверхности частицы имеют тенденцию диффундировать от высокой концентрации к низкой концентрации, поэтому в процессе сушки существуют две конкурирующие временные шкалы: время сушки латекса с толщиной влажной пленки H и время tdiff, необходимое для диффузии поверхностных частиц на подложку. ...

● Если частицы имеют тенденцию оставаться в поверхностной концентрации (tevap< tdiff), возникает явление образования корки - явление стадии сушки - явление сушки 3 стадии;

● Если частицы имеют тенденцию диффундировать в подложку (tdiff

где μ — вязкость воды, R — размер частиц латекса, H — толщина пленки, E — скорость сушки, K — газообразная постоянная, T — абсолютная температура.

Из формулы видно, что увеличение вязкости μ, увеличение размера частиц латекса R, увеличение толщины пленки H и ускорение скорости сушки E увеличит значение Pe и усугубит явление «образования корки» на поверхности в процессе сушки.

Повышенная вязкость μ замедляет диффузию частиц из концентрированной области в другие области.

Увеличенный размер частиц R – замедляет диффузию частиц.

Увеличенная толщина H – увеличивает расстояние дисперсии частиц.

Повышенная скорость сушки E – ускоряет концентрацию частиц на поверхности.

Основные процессы: (частицы и влага)

Концентрация – неравномерная концентрация в горизонтальном направлении – диффузия

Скорость испарения воды не зависит от толщины пленки, и в результате там, где пленка тонкая, концентрация латекса выше, чем в толстой пленке:

1. Край мембраны быстро концентрируется, а край быстрой концентрации и центр медленной концентрации образуют градиент содержания воды, а разница в содержании заставляет воду мигрировать и распространяться от центра к краю.

2. Миграция воды также будет нести частицы: частицы блокируются и накапливаются, когда они собираются спереди; Влага попадает в зону сборки, где продолжает улетучиваться.

3. По мере того, как частицы накапливаются в передней части сборки, фронт сборки продвигается вперед, и способность диффузии воды в зоне сборки частиц ограничена. По мере продвижения фронта сборки частиц продвигается и сухой фронт. Образуется это явление горизонтальной сушки.

Горизонтальная сушка происходит, когда края тонкие из-за поверхностного натяжения, а также происходит, когда толщина неравномерна в процессе покраски.

сводка

Вертикальная сушка и горизонтальная сушка — это две стороны латексной сушки, а два режима сушки — не «или/или». Поскольку влага улетучивается с поверхности латекса, неизбежно возникает вертикальный режим сушки. Горизонтальное высыхание происходит при наличии кромок или неравномерной толщины покрытия. Фактический процесс сушки в основном осуществляется в обоих режимах одновременно.

Во-вторых, напряжение, возникающее при высыхании дисперсии, и растрескивание покрытия, вызванное напряжением

Широко распространены напряжения и растрескивания, вызванные напряжением при сушке дисперсий. Стресс может возникнуть по двум причинам:

1. Капиллярное давление: напряжение, образованное капиллярным давлением, возникает на стадии деформации частиц.

2. Объемная усадка: Объемная усадка более серьезна в водных полиуретановых дисперсиях, обычно появляющихся на поздней стадии деформации частиц.

1. Напряжение, создаваемое капиллярным давлением

В основном относится к образованию капиллярного давления. В зоне сборки частиц, поскольку частицы образовали плотное скопление, улетучивание воды делает границу раздела воды ниже, чем высота скопления частиц, и вода образует изогнутую границу раздела в капилляре, образованном между частицами. Поверхностное натяжение, создаваемое этим изогнутым интерфейсом, притягивает частицы ближе друг к другу, создавая напряжения.

Характеристики генерации капиллярного напряжения:

1. Существует как горизонтальная, так и вертикальная сушка, но вызванное этим растрескивание чаще встречается в процессе горизонтальной сушки.

2. В процессе горизонтальной сушки, как только трещина образуется, точка концентрации напряжения будет формироваться на переднем конце трещины, и новая трещина обязательно разовьется в точке концентрации напряжений. Новые трещины следуют за сборкой частиц вперед, образуя серию параллельных трещин.

3. В процессе вертикальной сушки существует слой жидкости, который может течь между поверхностью, образующей напряжение, и матрицей, которая не может сжиматься, и усадочное напряжение может быть снято путем скольжения жидкости, обычно не образует растрескивания пленки покрытия, но неравномерность напряжения приведет к тому, что поверхность пленки покрытия сморщится.

4. Механизм образования напряжений при горизонтальной сушке и вертикальной сушке абсолютно одинаков, оба вызваны капиллярным давлением, но проявления разные.

Взаимосвязь между тем, растрескалась ли дисперсионная пленка покрытия, и толщиной пленки покрытия:

Растрескивание возникает, когда покрытие толстое, и растрескивание становится меньше по мере уменьшения толщины покрытия. Когда толщина покрытия уменьшается до определенного значения, покрытие больше не трескается – существует критическая толщина трещины (CCT): в определенной степени можно охарактеризовать стойкость дисперсии к сухому растрескиванию. Чем выше значение CCT, тем толще можно получить покрытие без трещин для дисперсии и тем лучше его стойкость к высыханию.

Критическая толщина растрескивания: напрямую связана с модулем сдвига частицы (теория Тирумкудулу).

Когда модуль сдвига дисперсионной частицы низкий: обратно пропорционален модулю сдвига частицы G. Чем ниже модуль сдвига, тем толще получается покрытие без трещин.

Когда модуль сдвига дисперсионной частицы высок: пропорционален квадратному корню из модуля сдвига частицы G.

2. Объемный коэффициент усадки дисперсионного растрескивания

Напряжение также возникает из-за усадки мембраны, вызванной объемной усадкой частиц при сухом дисперсировании.

Уменьшается ли объем частицы при высыхании дисперсии, зависит от того, содержит ли частица летучие компоненты, такие как связанная вода, набухшие органические растворители.

На более поздней стадии сушки эти компоненты внутри частиц улетучиваются, что приводит к уменьшению объема частиц и уменьшению объема мембраны, что приводит к напряжению усадки.

Присутствие связанной воды в частицах полиуретановой дисперсии на водной основе делает напряжение, вызванное усадкой во время сушки водной полиуретановой дисперсии, особенно серьезным.

В-третьих, особенность процесса сушки полиуретановой дисперсии на водной основе

Самое большое структурное различие между полиуретановыми дисперсиями на водной основе и другими дисперсиями или латексом заключается в том, что в частицах PUD содержится большое количество связанной воды. Краткое описание структуры частиц полиуретановой дисперсии на водной основе:

(1) Гидрофильные группы в структуре полиуретановых дисперсий в основном распределены на поверхности частиц, но гидрофильные группы распределены не на поверхности частиц в монослое, а на поверхностном слое;

(2) Поверхностный слой распределения гидрофильных групп набухает водой в дисперсном состоянии с образованием пограничного слоя, толщина пограничного слоя связана с содержанием гидрофильных групп, чем выше содержание гидрофильных групп, тем толще пограничный слой и может даже достигать ядра частицы;

(3) В ядре частиц содержание гидрофильной группы и скорость набухания воды самые низкие; Чем ближе к поверхности частицы, тем выше содержание гидрофильной группы и скорость набухания воды. На самой поверхности частиц содержание гидрофильных групп и скорость набухания воды достигали максимума;

(4) Результаты рассеяния света показывают, что связанная вода в частицах PUD может достигать 60% ~ 85%, обычно в диапазоне 20% ~ 50%.

В-четвертых, влияние связанной воды в PUD на высыхание крекинга

1. Влияние частиц полиуретановой дисперсии на водной основе, связанных с водой, на растрескивание, вызванное капиллярным давлением

Набухание частиц дисперсии связанной водой в дисперсии:

1. Уменьшите модуль сдвига частиц, чтобы частицы легко деформировались;

2. Набухание воды увеличит размер частиц;

Обе эти причины влияют на растрескивание покрытия, вызванное капиллярным давлением.

1. Когда образование дисперсионной пленки мягкое, а модуль сдвига низкий, Тирумкудулу подтверждает из теории и практики, что стойкость покрытия к растрескиванию, вызванная капиллярным давлением, обратно пропорциональна модулю сдвига дисперсионных частиц: модуль сдвига дисперсионных частиц может быть уменьшен путем связывания воды, поэтому мягкий полиуретан на водной основе менее сухой из-за растрескивания, вызванного капиллярным сжатием.

2. Когда модуль сдвига дисперсионной частицы высок, согласно теории Тирумкудулу, характеристики защиты дисперсии от растрескивания пропорциональны 1/2 степени модуля сдвига частиц и пропорциональны 3/2 степени размера частиц: объединение воды уменьшит модуль сдвига частиц, поэтому увеличит вероятность растрескивания. Однако увеличение размера частиц, вызванное связанной водой, снижает вероятность растрескивания.

Сочетая два фактора, трещины, вызванные капиллярным давлением, уменьшаются.

2. Объемная усадка, вызванная улетучиванием комбинированной воды, вызывает напряжение, вызывающее растрескивание пленки.

На практике было обнаружено, что пленкообразующее растрескивание полиуретана на водной основе в основном происходит на поздней стадии образования пленки, и растрескивание не является характерной регулярной полосой трещин, вызванной капиллярным давлением, а вызывает градуированное растрескивание, определенное академическим сообществом.

Особенности градуированного растрескивания:

Трещины образуются последовательно, трещины развиваются в определенном направлении после образования, а развитие трещины, образовавшейся позже, прекращается после встречи с трещинами, образовавшимися первыми, и результатом является формирование серии пространственных моделей сегментации и появление иерархических характеристик.

Так называемые характеристики уклона относятся к явлению уклона трещин с точки зрения длины/ширины:

1. Трещины, образующиеся на ранней стадии, длинные и широкие;

2. Трещина, образовавшаяся на более поздней стадии, короткая из-за прекращения трещины, образовавшейся на ранней стадии; Часть напряжения была снята после образования трещины на ранней стадии, а напряжение образования трещины на более поздней стадии ограничено, а образовавшаяся трещина узкая;

3. Угол пересечения трещин стремится к 90°. Напряжение, образуемое объемной усадкой, относительно велико, что несопоставимо с напряжением, вызванным капиллярным давлением.

Пример применения, приведенный в литературе:

Существует PUD высокой твердости с регулярным растрескиванием при образовании пленки, что, очевидно, вызвано капиллярным давлением. Однако добавление пленкообразующих добавок делает высыхание покрытия слишком медленным, чтобы соответствовать требованиям заказчика. Теория Тирумкудулу утверждает, что трещиностойкость в это время пропорциональна 3/2 степени размера частиц R и обратно пропорциональна 1/2 степени поверхностного натяжения.

Изменяя синтетическую формулу, когда твердость пленки покрытия не изменяется, размер частиц дисперсии увеличивается, и к дисперсии добавляется высокоэффективный агент снижения поверхностного натяжения (смачивающий агент) для снижения поверхностного натяжения дисперсионной среды, и явление растрескивания пленки покрытия хорошо решается без добавления пленкообразующих добавок.

(1) Две стороны процесса сушки: вертикальная сушка и горизонтальная сушка

(2) Два типа напряжений в процессе сушки: капиллярная сила и объемная усадка

(3) Особенность полиуретановых дисперсий на водной основе: больше комбинированной воды

(4) Влияние связанной воды на высыхающее растрескивание

Как разновидность дисперсии, процесс сушки и образование напряжений при пленкообразовании принципиально не отличаются от других дисперсий. Вышеизложенное также может быть использовано в качестве эталона для других дисперсий и латекса.