Характеристика процесса

С кинетической точки зрения процесс испарения растворителей можно разделить на две стадии (рис. 21).

Рис. 21. Кинетика испарения растворителей G и изменения объема V лакокрасочного материала при пленкообразовании:

I  испарение из жидкой пленки, контролируемое поверхностными явлениями;

II  испарение из сформировавшейся твердой пленки, определяемое диффузионными процессами в массе полимерного материала

Первую стадию из-за низкой вязкости и наличия конвективного перемешивания раствора можно рассматривать как испарение растворителей со свободной поверхности. Скорость испарения W при этом может быть вычислена по уравнению Лангмюра — Кнудсена:

(16)

где G  масса испарившегося растворителя;  время испарения; F  поверхность испарения; Р₀  парциальное давление насыщенного пара над раствором; M  молекулярная масса; Т  температура; R  газовая постоянная;  постоянная, ≤ 1.

Скорость испарения пропорциональна разности парциальных давлений насыщенного пара над раствором Р₀ и в окружающей среде Р_s:

W = АF(Р₀P_s), (17)

где A  постоянная.

P₀ понижается с ростом концентрации пленкообразователя незначительно, поэтому скорость испарения растворителей на этой стадии близка к постоянной; она может быть вычислена по тангенсу угла наклона прямой.

Вторая стадия испарения обычно начинается при содержании растворителя в пленке 515%, когда вязкость раствора становится высокой и вследствие этого не происходит его конвективного перемешивания. Скорость улетучивания растворителей на этой стадии контролируется внутренней диффузией, при этом коэффициент диффузии D изменяется с концентрацией растворителя С по экспоненциальному закону:

D = D₀e^ac, (18)

где D₀  коэффициент диффузии при С  0; а  постоянная, зависящая от природы полимера и растворителя.

При отвердевании пленки (переходе полимера в стеклообразное состояние) вязкость пленкообразователей достигает 10¹¹10¹² Пас. В этих условиях коэффициент диффузии растворителей крайне мал, обычно не превышает 10^7cм²/c. Это затрудняет их диффузионный перенос, особенно на последних стадиях формирования покрытий. Вследствие односторонней диффузии в пленке всегда имеет место определенный градиент концентрации растворителя по толщине: его содержание возрастает от периферии к подложке.

При использовании смеси растворителей их испарение зависит от парциального давления и молярного содержания в смеси каждого компонента х:

G_cм = g_ix, (19)

где g_i  скорость испарения отдельных компонентов.

Пигментирование пленкообразующих систем замедляет испарение растворителей, особенно если используются пигменты и наполнители чешуйчатого строения (алюминиевая пудра, микрослюда и др.). Испарение ускоряется с увеличением скорости движения воздуха v над слоем лакокрасочного материала:

G = G₀vⁿ, (20)

где G и G₀  количество испарившегося растворителя в единицу времени в токе воздуха и в неподвижной среде;   коэффициент, зависящий от концентрации пленкообразователя в растворе, обычно  < 1; n  показатель, зависящий от эффективности движения воздуха, при ламинарном режиме n = 0,5, при турбулентном n = 0,8.