水性聚氨酯成膜干燥過程

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1、水性聚氨酯分散體干燥過程文章出處：原創(chuàng)網(wǎng)責(zé)任編輯：小莉作者：小莉人氣：1041發(fā)表時間：2014-04-1511:39:00終端用戶很少直接使用水性聚氨酯分散體，最終被用戶使用的是水性聚氨酯分散體干燥后的漆膜，涂層和被水性聚氨酯分散體粘合的材料。水性聚氨酯分散體轉(zhuǎn)化為最終被用戶使用的漆膜，涂層和粘合層必須經(jīng)過一個干燥成膜的過程。單一針對水性聚氨酯分散體的干燥和成膜過程研究不多，實際上水性聚氨酯分散體的干燥與成膜過程與其他乳膠和分散體并無太多不同，只是水性聚氨酯分散體的某些特征表現(xiàn)得更為突出。本文先解釋一點乳膠或分散體干燥和成膜的基本理論，而后應(yīng)用這些基本理論解釋和論述水性聚氨酯分散體干燥和成

2、膜的特性。由于干燥和成膜理論涉及太多模型和復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)，而這些模型和理論過于復(fù)雜，我們這些化學(xué)研究者也不需要去研究這些模型和理論，需要的只是了解這些理論的基本知識和通過公式復(fù)雜計算獲得的最終結(jié)論，以及這些結(jié)論去指導(dǎo)和解決實踐中遇到的問題。因此本文將省略所有公式推導(dǎo)，簡單介紹理論的數(shù)學(xué)模型和結(jié)論，重點介紹怎樣用這些理論解決實踐中遇到的問題。分散體干燥理論1.1純水揮發(fā)水的揮發(fā)可以說是一個極為常見也極為簡單的現(xiàn)象。但是這類簡單的現(xiàn)象也會涉及到復(fù)雜的理論。關(guān)于水的揮發(fā)簡單定義幾個概念，首先所謂水揮發(fā)是指液體水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程，在這里所說的揮發(fā)是指非沸騰狀態(tài)下的水揮發(fā)，是一種表面揮發(fā)，是水分子

3、從液體水表面逃逸進入其外部空間環(huán)境的過程。此時還可以定義揮發(fā)速度E這個概念，水揮發(fā)速度指水分子在單位表面，單位時間揮發(fā)進入空氣的量。我們也可采用另外一種方式定義水分揮發(fā)速度E′。E′指因水揮發(fā)而造成界面下降的速度。根據(jù)物理定義這兩個概念的關(guān)系是E′＝E/ρ，而對于純水，ρ＝1，因此對于純水，E＝E′。水分子從液體揮發(fā)進入空氣需要能量，定義單位質(zhì)量水揮發(fā)進入空氣需要的熱量為水揮發(fā)潛熱(Latentheatofvaporisationofwater)。水的揮發(fā)與其他液體如有機溶劑揮發(fā)本質(zhì)是相同的，但水揮發(fā)有2個特別之處，其一是水的揮發(fā)潛熱特別大，達到2260J/g。相比沸點相近的有機溶劑如甲苯，

4、其揮發(fā)潛熱僅367J/g，水的揮發(fā)潛熱為甲苯的6倍多，即水揮發(fā)需要更多的熱量。由于水的揮發(fā)潛熱特別大，有人做過粗略計算，假設(shè)100g40%含固量的高分子分散體在絕熱環(huán)境中干燥，60g水完全揮發(fā)，剩余40g涂料需要下降350℃以提供水分揮發(fā)需要的熱量。當(dāng)然在現(xiàn)實中不可能觀測到如此大幅度降溫，環(huán)境可以補充水分揮發(fā)帶走的熱量，隨著水分揮發(fā)，涂層溫度略低于環(huán)境溫度，環(huán)境將熱量傳遞給涂層，最終達到一種溫度平衡。水揮發(fā)第二個特別之處在于大氣環(huán)境中本身就有水蒸氣的存在，已經(jīng)存在一個水蒸氣壓，而大氣環(huán)境中一般不會出現(xiàn)相應(yīng)的溶劑蒸氣壓。水的蒸氣壓的存在會影響水分揮發(fā)，當(dāng)外界水的蒸氣壓達到飽和時，水的揮發(fā)甚至?xí)?/p>

5、停止。對于水的揮發(fā)理論，從不同角度觀察可以有不同的理論模型，如以從分子運動角度建立模型，考察水分子獲得能量從水界面逃逸的過程，不同模型理論可以適合解釋不同的現(xiàn)象。對于我們關(guān)心的水性分散體干燥過程，更愿意采用水分揮發(fā)界面層擴散模型。水分揮發(fā)界面層擴散模型(見圖1)認為水分子揮發(fā)進入空氣，其液氣界面的蒸汽壓達到水的飽和蒸氣壓，水氣界面上方存在一個高度為Lb的邊界層，邊界層上部水的蒸氣壓與大氣環(huán)境水蒸氣壓相同，在邊界層內(nèi)，隨著高度增加從界面的飽和蒸氣壓線性降低到外部環(huán)境水的蒸氣壓。水的揮發(fā)速度決定于水分子擴散通過此邊界層的速度。根據(jù)邊界層擴散模型，通過復(fù)雜的擴散理論可以計算出水的揮發(fā)速度，并可以通

6、過實驗數(shù)據(jù)計算出在完全靜止空氣中邊界層厚度一般在5mm左右。水的揮發(fā)速度與溫度有關(guān)，溫度越高，水分子擴散通過邊界層速度越快。水的揮發(fā)速度與水的飽和蒸氣壓與大氣水的蒸氣壓差有關(guān)，水蒸氣壓差越大揮發(fā)速度越快，當(dāng)然水的飽和蒸氣壓又與溫度有關(guān)，提高溫度可以提高水的飽和蒸氣壓，但環(huán)境大氣中水的蒸氣壓不會因溫度提高而提高，因此提高溫度可以提高水的飽和蒸氣壓與環(huán)境水蒸氣壓差的值。水的揮發(fā)速度還會受到空氣流動的影響，空氣流動可以干擾邊界層厚度，微小的空氣流動都可以提高水揮發(fā)速度。有人發(fā)現(xiàn)實驗室門的開關(guān)與否，對水的干燥速度都會產(chǎn)生極大的影響。1.2水性分散體的水分揮發(fā)早在20世紀(jì)70年代，Vanderhoff

7、等(1973年)采用最簡單的稱質(zhì)量方法測定乳膠水分揮發(fā)速度。發(fā)現(xiàn)乳膠水分揮發(fā)可以分為3個階段。首先是一個勻速揮發(fā)階段，而后緊跟一個減速揮發(fā)階段，最后是一個逐步漸進到揮發(fā)速度為0的緩慢揮發(fā)階段。而后在20世紀(jì)80年代后期，Croll等(1986～1987)發(fā)現(xiàn)有些乳膠干燥只存在2個階段，勻速階段和慢速階段。Vanderhoff發(fā)現(xiàn)的乳膠干燥過程3階段現(xiàn)象和Croll發(fā)現(xiàn)的2階段現(xiàn)象在分散體干燥過程中都是存在的，