油漆和涂料:如何持续测试

通过更复杂的产品配对的更严格的法规，涂料和涂料行业的复杂性增加。因此，生产者要求更强大，可持续和安全的分析方法。通过Vis-Nir光谱测试是一种成本效益和可持续的替代品，对许多湿化学方法。本文介绍了VIS-NIR光谱如何在制定和生产的各种分析中以生态和经济方式增强各种分析的测试程序。

油漆和涂料行业 - 一种越来越多的领域

油漆和涂料让生活更丰富多彩，更轻松，更安全。这个产业的重要性体现在年产量的稳定增长上。2007 - 2012年，全球涂料行业在GDP中的复合年增长率为4.3%，2012年实现收入1100亿美元。¹由于特别是来自亚太地区，拉丁美洲和东欧的强烈需求，预计到2019年全球增长率增长至6％。²

涂料和涂层重要性的主要原因是指应用可能性的多样性。除了用于美化基板，涂料和涂料还用于保护，作为防滑表面，用于绝缘或电导体，仅举几个例子。

为了覆盖这种品种，生产复合制剂，其包含四种主要成分：溶剂，颜料，粘合剂和添加剂。这些的各个量可以显着差异。例如，对于粉末涂层，不需要溶剂（见图1）。

根据这些主要组件的智能组合，制定了根据用户需求的特定功能的产品。为确保最佳结果，快速性和可靠的质量控制至关重要。然而，随着产品复杂性的增加，这变得更具挑战性。

图1所示。成分概述及粉末粉末涂料的含量概述。

质量控制 - 每一步都是必不可少的

为了保证最优的最终产品，质量控制必须在整个制造过程中进行。每个生产步骤都有不同的分析需求。可以定义三个具有不同分析需求的主要生产步骤:

高吞吐量是仓库的关键

在仓库中，必须在纯度和质量方面识别和验证生产油墨和涂料的进入原料。欧洲杯足球竞彩帮助替代耗时湿化学方法的分析方法，优选使用，以满足对高吞吐量的需求。

成功生产的精度和准确性

设定若干特征值的数量，在制剂和生产的步骤期间测试中间体的身份。这些控制机制在线（过程旁边）以及在线（在过程旁路）中执行。准确性和精度被认为是这些步骤中的重要参数。相应地选择分析方法是必要的。

复杂的矩阵需要强大的方法

在交货之前，质量控制的最后但极其重要的一步是最后的测试。为了保证产品在客户现场的最佳性能，必须对所有相关性能和总体质量进行确认。由于最终产品的多个组成部分会产生复杂的矩阵，最终测试可能是一项非常艰巨的任务。因此，为了获得可靠的结果，需要组合不同的分析仪器。

许多参数-一个具有挑战性的任务

制片人有机会使用仪器以及湿化学方法，这些方法都在完整的生产过程中使用。作为参考，可以使用ASTM方法中描述的标准操作程序（参见表1）。^3.仅此小部分揭示了许多不同的分析仪器和方法，导致员工的主要培训努力。

湿化学分析 - 漫长的传统

典型的湿化学分析方法包括，例如，离子色谱，滴定和比色。所有这些都是高度准确和精确的。由于它们作为分析工具的长期重视，它们也在文献中进行了很好地研究过，并且在文献中进行了丰富。然而，这些技术通常限于特定参数。

此外，对于样品制备和分析本身所需的辅助化学品产生额外的成本。员工的定期培训和执行严格的安全法规进一步加入该法案。因此，寻找替代工具方法一直是趋势。仪器方法可以仅用轻微的培训进行，同时也快速，需要较少的辅助化学品。对于Vis-Nir光谱，这些益处尤其如此。

表格1。不同关键参数和相应方法和仪器的ASTM方法概述。

参数	工具/方法	ASTM方法
液体密度	比重瓶	ASTM D1475
油漆中的水	滴定	ASTM D4017
颗粒大小	油脂吸附颜料	ASTM D1483
VOC内容	色谱法	ASTM D6886.
粉末涂料	比色法	ASTM D3451
粘度	旋转粘度计	ASTM D2196

Vis-nir光谱 - 简单的解决方案

可见-近红外(Vis-NIR)技术被认为是在制药、化学、食品和饲料行业建立的一种分析方法。它的高精度和可靠性使其不断扩展到多个不同的应用领域。可见-近红外光谱的高灵活性，体现在它作为在线、在线、离线和在线工具在过程分析中的灵活使用，也促进了这一扩展。

可见-近红外光谱的功能性

Vis-Nir光谱基础上的测量原理基于物质和光之间的非破坏性相互作用。这种相互作用用于在一个测量中确定不同的化学和物理参数，通常只需要几秒钟。可见光和近红外光的组合允许确定与样本的颜色相关的信息以及连接其化学侧组的信息。

经济和生态

通过在一次测量中检测多个参数，可见-近红外光谱能够实现高通量。此外，它还符合经济和生态标准。由于既不需要液体样品也不需要固体样品，而且分析是无损的，因此消除了昂贵的辅助化学品的必要性，同时降低了成本，提高了安全性。

Vis-Nir光谱作为非破坏性的，即用作技术表现出很大的承诺，特别是对于更好符合挥发性有机化合物（VOC）法规的粉末涂料的新兴领域。

颜料

美化过程被认为是油漆和涂料最明显的应用。在0-30%的浓度范围内，颜料是存在于大多数油漆和涂料的中心成分。颜料除了影响色彩效果和强度外，还对涂层的厚度、不透明度和光泽度有影响。

颜料的性质由它们的化学结构及其物理结构决定。这些是结晶度，颗粒分布和粒度。DIN 5943组颜料根据其化学结构及其光学效应：第一级分类群颜料到有机和无机颜料中。在二级，它们进一步分为白色颜料，效果颜料，彩色颜料和发光颜料。

为了在最终产品中获得所需的性质，选择合适的颜料是重要的，也很重要，也可以获得颜料浓度右。涂层厚度和颜色强度均受到总颜料体积浓度（PVC）的影响，其将颜料的体积与所有固体的体积相关联。^3.除了PVC之外，颜料浓度和粘合剂之间的关系至关重要。该参数称为关键颜料体积浓度（CPVC）至关重要，因为缺少涂料稳定性和强度的缺失导致缺陷。^3.

因此，颜料浓度的测定至关重要。以下部分通过VIS-NIR光谱介绍了分析。

油墨中染料含量的定量分析

Triphenylmethanphenazin和Azo染料通常用于球笔油墨。除了染料本身，这种油墨由多种成分组成，这些成分是例如溶剂以防止堵塞和表面活性剂以避免发泡。这种复杂的基质可以评估绝对染料含量是一个具有挑战性的任务。

在应用笔记AN-NIR-026中，对20个墨水样品进行了关于圆珠笔中蓝墨水染料浓度的检测。⁴检测浓度范围为0.56% ~ 4.56%。图2a)显示了光谱的选择。从这些方法中提取的信息与主方法中的值相关联，结果具有很高的相关性，如图2b所示。

图2。a)通常用于圆珠笔墨水的五种不同染料浓度的示例光谱。在400 ~ 800 nm可见区域，染料量与样品的吸光度高度相关。b)可见-近红外光谱与滴定法测定染料含量的相关图。除了R²= 0.99，验证的标准误差<0.1％，使用两个因素。

添加剂

虽然涂料和涂料配方中添加剂的总量只是轻微的，但是添加剂是主要的手段，以便特别修改用于特定应用的涂料和涂料的性质。

除了这些产品专用的添加剂，它们只能在小浓度中找到，三种主要添加剂几乎总是油漆和油墨配方的一部分:表面活性剂，油漆干燥剂和抗氧化剂。它们负责控制重要的产品性能，如干燥时间、加工性能、耐久性、刷涂性和喷涂性。

由于所使用的添加剂量的微小变化可以带来最终产品行为的大量变化，每种添加剂的多种物理和化学性质的卓越品质标准。表2显示油漆干燥器的典型参数及其限制的概要。

表2。根据ASTM，油漆干燥器的相关参数和各自的质量控制限值的概述。^3.

参数	规格	ASTM方法
比重/ -	±0.05	ASTM d1289 - 85
固含量 / ％	±5.00	ASTM D1644.
金属含量/％	±0.30	ASTM D2373-85
动态粘度/ MPA	±1.00	ASTM D2196

VIS-NIR光谱是一种有价值的工具，可以支持质量控制，因为它被认为是可以用于在一个测量中确定多个参数的方法。在以下部分中描述了使用Vis-niR光谱进行添加剂分析。本演示采用了重要添加剂涂料绘制阶级。

涂料干燥器的多种参数分析

涂料干燥器是几乎每种涂料或涂层产品的重要组成部分，因为它们能够改变涂料和涂层的干燥过程。

干燥过程可分为两个步骤:第一步是溶剂蒸发的物理过程。第二步是化学过程，即粘合剂经过氧化交联反应。由金属配体配合物组成的涂料干燥器可显著加速第二步，并将涂层时间从数小时缩短至几分钟。然而，催化功能强烈地依赖于金属总量，即使轻微的移动到更高或更低的浓度，也会在相当大的程度上改变行为。⁵

由此，在生产过程中精确量化浓度非常重要。辛酸钴复合物是最常用的涂料干燥器。通过在粘度，金属含量和比重中研究了用这些添加剂制备的制剂，其可以在与An-Nir-033中证明的Vis-Nir光谱法测量中进行评估（参见图3）。⁶

图3。a）用于不同钴型涂料干燥器的示例性光谱。b）根据ASTM D1289-85获得的物理参数粘度的值的相关图，并通过Vis-Nir光谱测量。

粘合剂

如前一节所述，粘结剂和颜料的浓度比(CPVC)是影响最终涂层稳定性的主要因素。粘合剂负责开发坚固和持久的涂层。在干燥过程中，粘合剂会发生化学交联反应。由于涂料在基材上的固定是绝对重要的，与颜料和溶剂相比，粘合剂被认为是每一种涂料和涂料产品中最重要的成分，并存在于每一种涂料和涂料配方中。

最具代表性的粘合剂是高分子物质，如聚酰胺、聚酯、聚氨酯或环氧树脂(见图4)。这些合成树脂已经完全取代了以前使用的天然树脂。

粘结剂不仅影响到CPVC，它控制着最终产品的附着力和硬度，还影响到粘度。⁵除了这些直接影响之外，质量差的聚氨酯粘合剂中的游离胺也会对特定的涂覆过程产生负面影响。下面的例子演示了Vis-NIR光谱是如何通过可靠的方式检测涂料和涂料中的游离胺来支持质量控制过程的。

图4。油漆和涂料中使用的两种典型粘合剂的化学结构。

浸渍涂料中胺值的定量

用于浸渍涂料的ELCTRODEPOSION工艺（EPC）是施加均匀涂层的常用方法。该方法的关键优点是即使对于复杂结构，也可以高精度地控制涂层的厚度。

干扰氧化还原活性分子可以对涂层结果产生负面影响，因为EPC是电化学过程。这些干扰分子可以作为来自其他涂层成分的残留物，例如自由氮作为所用粘合剂的残余杂质。

应用笔记AN-NIR-030描述了VIS-NIR光谱法用于定量胺编号作为浸渍涂料中游离氮的指示器。⁷在33.82 ~ 48.31 mmol/kg浓度范围内，R²发现了五个PLS因子的0.97（见图5）。

图5。a)浸渍涂料中胺值分析的示例光谱。b)可见-近红外光谱与滴定法测定胺值的相关图。

溶剂

溶剂型涂料以溶剂为主要成分，被认为是涂料中最常见的一类。溶剂的两个主要参数是溶剂的溶解力和蒸发速率，这两个参数都影响着最终产品的润湿行为和粘度。此外，溶剂还影响产品的几个方面的特性。因此，在考虑到预期的应用程序时，需要谨慎地选择它。

一般来说，溶剂按其化学性质分组。溶剂可分为三类:含氧溶剂、碳氢化合物溶剂和其他溶剂，如水。^3.后者的基础是所有水性涂料的基础，其显着性在过去几年中大幅增加，因为它们含有较低水平的挥发性有机化合物（VOC）。在一些国家和国家，使用VOC的使用受到限制。

因此，水基产品在市场上越来越占主导地位。可见-近红外光谱技术作为一种精密的技术，能够支持溶剂的基本质量控制，特别是对水性涂料。

水基涂料中的共溶剂分析

如前几节所述，颜料、粘合剂和添加剂是油漆的重要成分。为了在水性涂料中使用这些化合物，必须添加助溶剂。共溶剂如丁二醇和丙基庚醇有助于溶解粘合剂，也分别用于流变控制和增塑剂。增塑剂有助于确定几种涂层性能，如干膜外观或基材附着力。⁸

Metrohm应用笔记AN-NIR-029显示了Vis-Nir光谱法在不同水基涂料中定量丁二醇和丙基庚基醇含量的用途。⁹基于光谱数据的预测模型和每个溶剂的参考值导致VIS-NIR光谱预测的高精度，具有标准验证误差<1％（参见图6）。

图6。a)丙基庚醇和b)丁二醇的相关图。

结论

涂料和涂层用于多种目的，需要满足高要求。因此，这些复杂的产品需要广泛的质量控制，要求使用精细技术，以保证准确可靠的分析。Vis-Nir光谱通过符合经济性和生态要求的Vis-Nir光谱来满足这种需求。

可见光谱范围和近红外光谱范围对Vis-Nir光谱的组合分析允许确定化学参数，例如单个成分的胺数和浓度，包括诸如动态粘度和特定密度的物理参数。与标准方法相比，Vis-Nir光谱提供了在不到一分钟的一个测量中同时评估多个参数的优点，而不会导致对样品的任何损坏。

本文提出的应用程序提供了vis-nir光谱提供的可能性。由于其主要益处，Vis-Nir光谱可以完成，并且在涂料和涂料的质量控制中替换使用的标准方法，因此预计将在未来几年内获得重要性。

参考文献

[1] Scott Detiveaux和Charles Bangert(2016)。全球涂料工业现状:产品整理。[网络]Pfonline.com。(28日访问^th9月,2016]。

[2] Ihs.com。（2016）.油漆和涂料工业概述-化学经济手册(CEH) | IHS Markit。[网络][28日访问^th9月,2016]。

Koleske, J.(2012)。油漆和涂料测试手册。West Conshohocken, PA: ASTM International。

[4] Partners.metrohm.com。（2016）.-近红外光谱- 026。(在线)可以在:http://partners.metrohm.com/getdocument?action = get_dms._document＆docid = 2353270 [访问28^th9月,2016]。

[5] Gupta，A。（2013）。添加到阅览室阅读软件下载与<<涂料配方批次添加批量生产替代替代频率的最佳数量。国际工程，科学技术杂志，5（4），PP.1-13。欧洲杯线上买球

[6] partners.metrohm.com。（2016）.AN-NIR-033。(在线)可以在:http://partners.metrohm.com/GetDocument?action=get_dms_document&docid=2501413(28日访问^th9月,2016]。

[7] partners.metrohm.com。（2016）.An-nir-030。(在线)可以在:http://partners.metrohm.com/getdocument?action = get_dms_document &docid=2405651(28日访问^th2016年9月]

Stoye, D.和Freitag, W.(1998)。油漆、涂料和溶剂。Weinheim: Wiley-VCH

[9] partners.metrohm.com。（2016）.AN-NIR-029。(在线)可以在:http://partners.metrohm.com/getdocument?action = get_dms_document&docid=2404593(28日访问^th9月,2016]。

这些信息已被源，从Metrohm AG提供的材料进行审核和调整。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问Metrohm AG。