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涂料表面形态

涂料表面形态

自动实时进化监测
使用纳诺维三维轮廓仪

涂料表面形态

编写者

李端杰,博士

简介

涂料的保护和装饰特性在汽车、船舶、军事和建筑等多个行业中发挥着重要作用。为了获得理想的性能,如防腐蚀、防紫外线和耐磨性,涂料配方和结构需要经过仔细分析、修改和优化。

三维非接触式轮廓仪对干燥涂料表面形态分析的重要性

油漆通常以液态形式涂刷,并经历一个干燥过程,包括溶剂的蒸发和液态油漆转变为固态漆膜。在干燥过程中,油漆表面会逐渐改变形状和质地。通过使用添加剂来改变涂料的表面张力和流动特性,可以形成不同的表面效果和质感。但是,如果涂料配方不当或表面处理不当,可能会出现不理想的涂料表面失效现象。

在干燥期间对涂料表面形态进行准确的原位监测可以直接了解干燥机理。此外,表面形态的实时演化在各种应用(例如 3D 打印)中是非常有用的信息。纳诺维娅 3D 非接触式轮廓仪 在不接触样品的情况下测量材料的油漆表面形态,避免滑动触笔等接触技术可能导致的任何形状改变。

测量目标

在这一应用中,配备了高速线光学传感器的 NANOVEA ST500 非接触式轮廓仪用于监测涂料在 1 小时干燥期内的表面形态。我们展示了 NANOVEA 非接触式轮廓仪对形状不断变化的材料进行自动实时三维轮廓测量的能力。

NANOVEA ST500 大面积
光学 3D 轮廓仪

结果与讨论

将涂料涂抹在金属板表面,然后立即使用配备高速线传感器的 NANOVEA ST500 非接触式轮廓仪对干燥涂料的原位形态演变进行自动测量。宏编程可在特定时间间隔内自动测量和记录三维表面形态:0、5、10、20、30、40、50 和 60 分钟。与手动测试或重复扫描相比,这种自动扫描程序可使用户通过依次运行设定程序来自动执行扫描任务,大大减少了工作量、时间和可能出现的用户错误。事实证明,这种自动化对涉及不同时间间隔多次扫描的长期测量极为有用。

如图 1 所示,光学线条传感器会产生一条由 192 个点组成的亮线。这 192 个光点同时扫描样品表面,大大提高了扫描速度。这可确保快速完成每次三维扫描,避免在每次扫描过程中发生重大表面变化。

采用三维轮廓仪进行涂料涂层分析

图1: 光学线传感器扫描正在干燥的涂料表面。

图 2、图 3 和图 4 分别显示了代表性时间的假色视图、三维视图和干燥油漆形貌的二维剖面图。图像中的假色有助于检测不易辨认的特征。不同的颜色代表样品表面不同区域的高度变化。三维视图为用户提供了从不同角度观察油漆表面的理想工具。在测试的前 30 分钟,油漆表面的假色逐渐从暖色调变为冷色调,表明在此期间高度随时间逐渐降低。这一过程会减慢,正如在 30 分钟和 60 分钟时比较油漆的颜色变化轻微所显示的那样。

样品的平均高度和粗糙度 Sa 值与涂料干燥时间的函数关系如图 5 所示。 表 1 列出了干燥 0、30 和 60 分钟后涂料的完整粗糙度分析。可以看出,在干燥时间的前 30 分钟内,油漆表面的平均高度从 471 微米迅速下降到 329 微米。溶剂汽化的同时,表面纹理也随之形成,导致粗糙度 Sa 值从 7.19 微米增加到 22.6 微米。此后,涂料干燥过程减慢,导致样品高度和 Sa 值逐渐下降,在 60 分钟时分别降至 317 微米和 19.6 微米。

这项研究强调了 NANOVEA 3D 非接触式轮廓仪在实时监测干燥涂料的 3D 表面变化方面的能力,为了解涂料干燥过程提供了宝贵的资料。通过在不接触样品的情况下测量表面形态,轮廓仪避免了滑动测针等接触式技术可能对未干涂料造成的形状改变。这种非接触式方法可确保对干燥涂料表面形态进行准确可靠的分析。

涂料表面形态
涂料涂层形态

图2: 不同时间干燥涂料表面形态的变化。

涂层表面特性表征
涂层表面轮廓
涂层表面分析

图3: 不同干燥时间涂料表面演变的三维视图。

涂层表面轮廓测量

图4: 不同干燥时间后油漆样品的二维剖面图。

涂层表面研究

图5: 样品平均高度和粗糙度值 Sa 随涂料干燥时间的变化情况。

ISO 25178 - 表面纹理参数

干燥时间(分钟) 0 5 10 20 30 40 50 60
平方米(微米) 7.91 9.4 10.8 20.9 22.6 20.6 19.9 19.6
价格 26.3 19.8 14.6 11.9 10.5 9.87 9.83 9.82
Sp (µm) 97.4 105 108 116 125 118 114 112
Sv (µm) 127 70.2 116 164 168 138 130 128
Sz (µm) 224 175 224 280 294 256 244 241
Sa (µm) 4.4 5.44 6.42 12.2 13.3 12.2 11.9 11.8

Sq - 均方根高度 | Sku - 峰度 | Sp - 最大峰高 | Sv - 最大基坑高度 | Sz - 最大高度 | Sv - 算术平均身高

表1: 不同干燥时间的涂料粗糙度。

结论

在这一应用中,我们展示了 NANOVEA ST500 3D 非接触式轮廓仪在监测干燥过程中涂料表面形态演变方面的能力。高速光学线传感器可产生一条由 192 个光点组成的线,同时扫描样品表面,从而在确保无与伦比的精确度的同时提高了研究的时间效率。

采集软件的宏功能可对三维表面形态进行编程自动测量,特别适用于在特定目标时间间隔内进行多次扫描的长期测量。它大大减少了时间、精力和用户出错的可能性。在涂料干燥的过程中,表面形态的渐进变化会被持续监测和实时记录,为了解涂料的干燥机理提供有价值的信息。

此处显示的数据仅代表分析软件中可用计算的一小部分。NANOVEA 轮廓仪几乎能够测量任何表面,无论是透明表面、暗表面、反射表面还是不透明表面。

有问题? NANOVEA 专家随时提供帮助!