钢化玻璃油墨的相转化与界面变化

2021-07-21 11:13:09 sunadmin 5

在之前的介绍中我们了解到:钢化玻璃油墨是一种高温烧结油墨,这种油墨印刷在玻璃上,然后在680-720℃下进行烧结,和玻璃紧密结合,形成一层牢固坚硬的漆膜。这种油墨可以称为无机油墨,因为在高温下有机物已经挥发分解完毕,剩下低熔点玻璃粉熔融成膜将填料和色料粘接在一起。

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而在油墨的施工和烧结过程中,涉及的界面变化和相转变更为复杂。丝网印刷的时候,油墨通过丝网到达玻璃表面,最终形成一层连续的漆膜。期间体系的粘度、流动性、触变性都是影响因素。粘度太高,通过性就差,粘度太低,会对图案的准确性有影响,以及会带来气泡的问题。体系的流动性和触变性对通过性以及漆膜的外观有很大影响。最好的状态应该是有良好的流平性和轻微的触变性,能够保证有很好的通过性以及通过丝网后在玻璃上有良好的铺展和流平,但又不能过度扩散,影响图案的准确性.

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钢化玻璃油墨的烧结过程油墨从液态变成固态,然后又变成半固态到液态,最后冷却下来变成固态。升温过程中,溶剂或者水最先挥发,体系由液态变成固态,这期间粉料间的空隙由树脂和溶剂(水)填充转变成树脂或者空气填充(视树脂量的多少,树脂多时由树脂填充,树脂少时由空气填充)。随着温度升高,树脂等有机物开始氧化分解,这时粉料的空隙变成空气,到400°C以上,低熔点玻璃粉开始熔融,逐渐变成液体填充到这些空隙中完成玻璃化。最后冷却降温变成一层牢固坚硬的涂层。在这些过程中,树脂的分解温度和低熔点玻璃粉的熔融温度都有一个区间,两者尽量不要有重叠。升温过程会涉及到热交换和物质比热容,而界面的变化会涉及到液体对固体的润湿铺展,相的变化会带来体积的变化,就会产生膨胀与收缩,更深层次则涉及到材料的热膨胀系数。这些问题如果处理不好就会产生应力变化,导致开裂等问题,尤其在性质差别较大的表面会更严重。低熔点玻璃粉在体系中由粉体逐渐熔融包裹色料和填料,最后变成主要的成膜物。低熔点玻璃粉的熔融程度对涂层的外观和性能有很大影响。

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为了观察涂层在不同温度时的表面形貌变化,试验使用光学显微镜结合3D扫描显微镜对不同温度下热处理1h后的涂层形貌进行观察。在不同温度下保温1h后的涂层的显微照片(200×)见图2,在400℃和700℃保温1h后的3D扫描照片见图3

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结合热重分析,从图2a和b可以看出,有机树脂在300~400℃开始大量分解,这时玻璃粉还未烧结,涂层中有很多有机树脂分解后留下的孔洞,这也可从图3a中清楚地看到。本试验采用的玻璃粉在430℃时可以完全熔融。从图2c中看出,500℃时低熔点玻璃粉已经熔融,但由于与分解后的有机树脂残余物不能很好地相容,以至于熔融的玻璃粉在涂层中不易铺展和流动,并不能很好地填补有机树脂分解所生成的孔洞,因此涂层中留下了很多气孔。

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从图2d和e可以看出,在600℃和700℃时低熔点玻璃粉进一步熔化、流动铺展成连续相,已经接替有机树脂膜层,并与涂层中的耐高温颜填料黏附在一起,表面变得比较平滑,如图3b所示,形成了一层致密、完整的耐高温涂层。

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由此可知,不同始熔温度的低熔点玻璃粉在不同温度和时间作用下的熔融程度是不一样的,导致整个涂层在微观和宏观下的性能差别很大。当低熔点玻璃粉未能熔融彻底,流动铺展成连续相,涂层会存在很多孔洞,涂层性能自然会差,耐性不足,宏观下表现为光泽差、表面粗糙。当低熔点玻璃粉形成连续致密的涂层,耐性会有很大的提高,宏观下表现出光滑平整、亮度好。所以需要根据基材的性能来设计工艺,工艺温度的高低、时间长短、以及基材的材质都息息相关。

以水性钢化玻璃油墨为例,我们可以这样设计工艺: 

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总而言之,涂料油墨的生产、施工都涉及到界面变化和相转变,我们需要根据相关的理论知识来设计配方和工艺,比如表面张力原理、液体挥发原理、材料热传导、膨胀系数都会对产品的性能产生影响,需要对配方和工艺做整体的分析。

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