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使用新型灰分和全固體分析耐化學試劑涂層系統測定VOC含量

發布時間:2022/03/21

    慧聰化工網訊:1、介紹

    美軍研究實驗室(The U.S. Army Research Laboratory’s, ARL’S)的偽裝涂層和腐蝕團隊是負責研究、測試耐化學試劑涂層(Chemical Agent Resistant Coating, CARC)及其他軍用涂層系統的實驗室。CARC最初用于軍用涂層。CARC系統在1983年被應用于戰斗、戰斗支援、戰略輪式車輛、航空器和陸地設備。CARC要求涂層必須嚴格符合各種參數。標準的設備性能最大化的提高作戰人員在戰場上的作戰能力。偽裝涂層是基于耐用性、環境適應性、生存性三個重要因素的平衡而研發的。新的配方必須按照保護大氣環境的要求,遵守大氣污染條例。

    大氣環境保護法和政府要求減少揮發性有機化合物(VOCs)的含量(VOC被定義為參加大氣光化學反應的有機化學物)。這些規定要求在配方中要少用或不用有害的空氣污染物(HAPs,)和六價鉻(鉻酸鹽)。為了符合VOC相關規定,也為了使更多不含VOC的溶劑和水稀釋性涂料被使用,目前的研究重點是開發出對環境無害(不含HAP、低VOC含量)的涂層。

    近年來,ARL不斷改進,研發出水稀釋性雙組分聚氨酯CARC topcoat MIL-DTL-64159(1)涂料。水分散性涂料能使之前的雙組分系統(MIL-C-46168[2])減少50%的VOC含量并排除HAP。另外,MIL-DTL-53039B(3)也是一種含少量VOC和不含HAP的溶劑基脂肪族聚氨酯涂料。這些涂料被進一步分為類型Ⅰ(含硅膠基質消光劑)和類型Ⅱ(含聚合物消光劑)。

    為確保軍隊可以得到適用的涂料,合格產品名單(qualified product list,QPL)會列出所有供應商各自符合規格要求的涂料。用美國環保署(Environmental Protection Agency,EPA)聯邦方法24(4)來檢測所收錄的產品的VOC,該方法類似于美國材料試驗學會(American Society for Testingand Materials,ASTM)的方法。環境和性能要求都要對總固體含量(涂料在測試結束時殘留在樣品盤的非揮發性物質的重量百分比)進行測試,VOC含量根據涂料的量減去水、豁免溶劑和涂料固體的量得出。

    現在,VOC檢測的標準測試是根據EPA Method 24和ASTM D 3960(4)的方法測試。這些方法在VOC水平低于2.1lb/gal(250g/L)時會出現差錯。EPA和ASTM的方法都要求在特定時間和溫度下檢測涂料密度(weight/gal)、總揮發物含量及使用的豁免溶劑。按照ASTM D 2369(5),總揮發物含量是通過檢測樣品放置在110±5℃的烘箱內1h所損失重量百分比計算的。水分含量可通過卡爾費希爾方法(ASTM D 4017[6]))或者氣相色譜分析法(ASTM D 3792[7])檢測。涂料密度可通過比重瓶或者weight per gallon cup獲得(根據ASTM D 1475[8])?;砻馊軇┛赏ㄟ^ASTM D 4457(9)講述的直接注射式氣相分析技術來檢測。

    最近,另一個可供選擇的方法―Computrac水分/固含量/灰分分析儀出現了?;诳焖贌崾е丶夹g的自動加熱水分分析儀,能夠提供簡單、低成本的涂料非揮發物含量的檢測。和傳統方法相比,快速熱失重技術能在減少能源和時間的基礎上生產出合格產品,是用戶的理想選擇。

    2、技術分析

    儀器的熱失重技術可以快速簡單并能以符合ASTM的方法檢測出原料、生產用料和成品非揮發物含量。它是通過儀器的熱失重技術來快速檢測非揮發物(固體)含量的重量百分比,并已應用在水稀釋性和溶劑基型成品上,根據ASTMD2369(5)測試方法用校正過的通風烘箱來測試這些物料,以確定這些物料的最佳測試條件和正確性。

    3、實驗程序

    這些測試是在Arizona Instruments LLC,T empe,AZ制造的Computrac MAXZ-V5000(XL)水分分析儀上進行的。儀器是根據ASTMD7232(10)進行操作的,該測試被定義為快速質檢、驗收和確認的測試。測試前,需要選定適合的設置事項,以達到正確的涂料測試結果。溶劑基型系統需要的測試溫度是150℃,結束斜率為0.100%/min,而水稀釋性系統需要的測試溫度是135℃,結束斜率為0.100%/min。將一個干凈平整、鋪有玻璃纖維濾紙的樣品盤放在水分分析儀上,蓋上蓋子,儀器會開始加熱到設定的溫度并去皮,準備好要加在玻璃纖維濾紙上的樣品(樣品必須按ASTM D 3925(11)要求的準備并螺旋型地添加)。儀器會要求添加1.5-2.5oz的樣品,當添加了適合的樣品量后,儀器會提示蓋上蓋子,蓋子蓋上后,儀器會讀取樣品的正確重量并開始測試,測試大概需要10min。測試結束后,儀器會以百分比的形式顯示總固體含量。5min后,Computrac MAXZ-V5000(XL)會加熱到450℃以測試樣品灰分含量。結束后,儀器以百分比的形式顯示總灰分。

    常規測試一般是用烘箱完成的,使用的型號是Thelco的31619,根據ASTM D 2369(5)進行操作。操作說明要求烘箱要在100±5℃預熱30min。準備好鋁箔盤和玻璃纖維濾紙,使用分析天平稱量,記錄下重量,盤子保持在天平上進行去皮,樣品螺旋型添加到濾紙上。根據預期的揮發物數值參考ASTMD2369(5)來決定樣品量。所有樣品必須根據ASTMD3925(11)正確收集。作為ASTM D 2369(5)其中一部分,每個涂料都必須取三個樣品分析取得平均值。該平均值構成結果。樣品準備好后會被放入已經預熱的烘箱烘60min。60min后,樣品要立刻從烘箱中取出并稱重(注意:從烘箱取出樣品的過程中有任何延誤都會對結果造成影響)。樣品稱量后,將結果代入ASTMD2369(5)中規定的公式,計算出揮發物的百分比,平均值作為該樣品的測試結果。

    灰分測試也需要在烘箱烘1h。除了樣品量,溫度和烘箱的準備跟ASTM D 2369(5)規定的固含量測試準備是一樣的。ASTM D 3723(12)中的灰分測試是需要1.5g涂料。另外,這種測試方法需要使用2mL符合ASTM1193(13)中純度標準的水。在烘箱烘1h后,樣品會被轉移到溫度為450±25℃的馬弗爐內。樣品在馬弗爐內一個小時后再取出稱量。然后根據ASTM D 3723(12)中規定的公式計算出灰分含量。

    4、實驗數據

    根據EPA Method 24對12種涂料進行了總固體含量分析。理論固體含量值是

    根據供應商的產品成分表計算出來的。所有樣品都會由烘箱和儀器測試三次,平均值在表1列出。

烘箱和Computrac測試總固體含量的結果對比

烘箱和Computrac測試總固體含量的結果對比

    表1烘箱和Computrac測試總固體含量的結果對比

    根據EPA Method 24對12種涂料進行總固體含量分析。理論固體含量值是

    根據公式和供應商的產品成分表計算出來的。所有樣品都會由ASTM方法和儀器測試三次,平均值在表2列出。

烘箱和Computrac測試灰分的結果對比

烘箱和Computrac測試灰分的結果對比

    表2烘箱和Computrac測試灰分的結果對比

    5.結果和討論

    測試數據表明烘箱干燥法和水分分析儀測試方法沒有顯著差別。分表格的數據顯示出很強的重復性。數據的高度一致性充分說明了兩種方法都可以用于總固體含量的檢測。根據這些數值,用ASTM Standard Practice D3960(4)中的公式也可計算出VOC含量。

    ASTM D 7232(10)的測試方法最大的優勢就是節省時間和資源。菜單化指導操作的儀器界面和儀器的快速判定,能使整個測試過程更快速的完成。在該方法下,產品清單中大量的樣品檢測和確認能夠在短時間內輕松完成。并能快速檢測VOC含量是否符合CARC的技術規范。

    成本也是一個重要的因素。雖然兩種方法都能得出結果,但是使用水分分析儀測試方法能夠節省工時,并且水分、總固體含量、灰分或者干重結果能夠在一次測試中獲得,使測試更有效率。使用該方法,能夠實現更高的生產效率。在指定時間內,要比烘箱法測試更多的樣品。購買水分分析儀可以提高樣品處理量以節省工時和提高勞動效率,獲得快速的投資回報。

    水分分析儀還能夠減少人工測量和操作對測試結果帶來的錯誤。因為天平整合在儀器里面能夠搜集和計算所有的數據,而ASTM D 2369(5)方法中的數據是手動處理。儀器能夠消除人工計算和校對數據時所可能出現的錯誤,所以使用水分分析儀能夠增加準確性。

    隨著技術不斷發展,改進后的水分分析儀已經成為水分測試的首選,而烘箱法則變成了后備或者認證核實的方法,使快速檢測VOC而無需為準確性而擔憂成為可能。

    水分分析儀使快速測試已經成為可能。

    參考文獻

    1. MIL-DTL-64159. Coating, Water Dispersible Aliphatic Polyurethane, Chemical Agent Resistant 2002.

    2. MIL-C-46168. Coating, Aliphatic Polyurethane, Chemical Agent Resistant 1993.

    3. MIL-DTL-53039B. Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant 2005.

    4. ASTM D 3960. Standard Practice for Determining Volatile Organic Compound (VOC) Content of Paints and Related Coatings. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

    5. ASTM D 2369. Standard Test Method for Volatile Content of Coatings. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

    6. ASTM D 4017. Standard Test Method for Water in Paints and Paint Materials. Annu. Book ASTM Stand. 2002.

    7. ASTM D 3792. Standard Test Method for Water Content of Coatings by Direct Injection Into a Gas Chromatograph. Annu. Book ASTM Stand. 2005.

    8. ASTM D 1475. Standard Test Method for Density of Liquid Coatings, Inks, and Related Products. Annu. Book ASTM Stand. 1998.

    9. ASTM D 4457. Standard Test Method for Determination of Dichloromethane and 1,1,1-Trichloroethane in Paints and Coatings by Direct Injection Into a Gas Chromatograph. Annu. Book ASTM Stand. 2002.

    10. ASTM D 7232. Standard Test Method for Rapid Determination of the Nonvolatile Content in Coatings. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

    11. ASTM D 3925. Standard Practice for Sampling Liquid Paints and Related Pigmented Coatings. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

    12. ASTM D 3723. Standard Test Method for Pigment Content of Water-Emulsion Paints by Low-Temperature Ashing. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

    13. ASTM D 1193. Standard Specification for Reagent Water. Annu. Book ASTM Stand. 1996.

責任編輯:汪佳林

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