Укрывистость, или кроющая способность красочной пленки определяется отражением и поглощением света, которые, в свою очередь, являются следствием рассеяния и поглощения света частицами пигмента. В соответствии с ГОСТ 8784-75 под укрывистостью понимают массу материала, отнесенную к единице поверхности при условии, что коэффициент контрастности между участками над черной поверхностью подложки и белой не менее 0,98.
Величина, обратная укрывистости носит название кроющая способность. Кроющая способность выражается в м2/кг, в Европе единицы измерения кроющей способности – м3/л.
Согласно теории Рэлея и теории Ми рассеяние света возрастает с ростом показателя преломления частиц дисперсной фазы (точнее с ростом разности показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды). Действительно, кроющая способность белых пигментов с ростом показателя преломления n сильно возрастает (таблица 1) [7].
Таблица 1 – Значение укрывистости и кроющей способности белых пигментов
Пигмент | Показатель преломления | Укрывистость, г/м2 | Кроющая способность, м2/кг |
Диоксид титана: рутил анатаз | 2,72 2,55 | 25-40 30-45 | 32,5 27,5 |
Оксид цинка (ZnO) | 2,05 | 100-140 | 8,5 |
Литопон (ZnS.BaSO4) | 1,84 | 110-140 | 8,0 |
Свинцовые белила (2PbCO3.Pb(OH)2) | 1,94-2,0 | 140-200 | 6,0 |
Кроющая способность показывает площадь в м2, которую можно укрыть израсходовав 1 кг пигмента или лакокрасочного материала.
Укрывистость интенсивно окрашенных и черных покрытий определяется главным образом поглощением света.
Для хроматических пигментов значение коэффициентов рассеяния и поглощения различны на разных длинах волн. Хроматические пигменты, обладающие кроющей способностью должны иметь высокий коэффициент рассеяния только в минимуме поглощения, так как рассеяние в максимуме приводит к снижению чистоты цвета.
Пигменты, не обладающие кроющей способностью, так называемые лессирующие,имеют низкие коэффициенты рассеяния в видимой области спектра, недостаточно высокие для обеспечения кроющей способности коэффициенты поглощения или размеры частиц, при которых, практические не наблюдается рассеяния света – чаще всего менее 100 нм.
Пластинчатые и чешуйчатые частицы пигментов, имеющие более плотную упаковку по сравнению со сферическими обладают большей кроющей способностью. Такие частицы способны к листованию в покрытии, за счет чего происходит перекрывание рассеянного светового потока.
В общем случае, равномерное распределение частиц пигментов в покрытии способствует росту укрывистости при оптимальном наполнении.
Методы определения укрывистости [10,11]:
1) визуальный метод. С помощью шахматной доски визуально определяют толщину слоя краски на стеклянной пластине при которой достигается полная укрывистость. Стеклянная пластина считается укрытой если глаз человека перестает видеть черно-белую подложку шахматной доски.
Укрывистость пигмента вычисляют по формуле:
Где m1 – масса пластинки со слоем краски, г;
m0 – масса неокрашенной пластинки, г;
mп – навеска пигмента, израсходованного при получении краски, г;
mм – навеска льняного масла, израсходованного при получении краски, г;
S – площадь поверхности пластины
2) метод контрастных отношений (инструментальный метод).
Краску наносят на стеклянные пластины из прозрачного бесцветного стекла размерами примерно см, толщиной 1,2-1,8мм. Пластинки перед этим промывают сначала теплой мыльной водой, а затем чистой водой, высушивают, взвешивают с точностью до 0,01 г и измеряют их длину и ширину с точностью до 0,5 мм. Перед нанесением краски пластинку протирают ватой, смоченной спиртом, а затем насухо вытирают.
Краску наносят аппликаторами или кистью на 4 подготовленные пластинки. Движениями кисти вдоль и поперек пластинка получают слой краски равномерной толщины. Желательно, чтобы пластинка со слоем краски минимальной толщины имела коэффициент контрастности не менее 0,7-0,8, остальные более высокий, но не превосходящий 0,98.
На покрытую пленкой подложку (подложка в виде шахматной доски) накладывают поочередно стеклянные пластинки и регулируют толщину слоя так, чтобы для первой пластинки квадраты подложки были ясно видны, для второй – слегка просвечивали, для третьей – были едва различимыми и для четвертой – еще полностью не исчезли. Затем снимают краску, налипшую на ребра и обратную сторону пластинок, и взвешивают пластинки с точностью до 0,01 г.
Толщину слоя краски Н (в мм) на пластинках рассчитывают по формуле:
;
где - масса краски, нанесенной на пластинку, г;
S – площадь пластинки, мм2 ;
- плотность краски, г/см3
Плотность краски (в г/см3) вычисляют по формуле:
;
где - масса пигмента, израсходованного при получении краски, г;
- навеска льняного масла, израсходованного при получении краски, г;
- плотность пигмента, г/см3;
- плотность льняного масла, при 200С, г/см3;
Вычислив по уравнению:
;
где Rч(Lч) и Rб(Lб) яркость (коэффициент отражения) слоя краски на черной и белой подложке соответственно
значение коэффициентов контрастности С для каждой пластинки, рассчитывают значения кроющей способности Fк (в м2/кг), соответствующие нанесенным на пластинки слоям краски по формуле:
;
где S – площадь пластинки, мм2 ;
m1 – масса пластинки со слоем краски, г;
m0 – масса неокрашенной пластинки, г.
Укрывистость краски и пигмента определяют по графику (рисунок 7) на оси абсцисс которого нанесена равномерная шкала для кроющей способности краски Fк (в м2/кг) и укрывистости краски Dк (в г/м2), а на оси ординат – равномерная шкала для коэффициента контрастности С.
Рисунок 7 – Определение укрывистости пигментированного лакокрасочного материала
Нанеся на график точки с координатами, соответствующими значениями Fк и С для каждой пластинки, поводят прямую, наиболее близкую к этим точкам. С помощью этой прямой определяют соответствующие С=0,98 значения кроющей способности Fк и укрывистости Dк краски. Укрывистость пигмента Dп (в г/м2) вычисляют по формуле:
;
где - масса пигмента, израсходованного при полученииикраски, г;
- навеска льняного масла, израсходованного при получении краски, г;
3) определение укрывистости с использованием теории ГКМ.
Этот метод часто называют двухконстантным, так как при падении монохроматического света на тонкие слои одной и той же краски отношение констант – коэффициента поглощения света K к коэффициенту рассеяния света S – является постоянной величиной для различных длин волн света, которая определяется по формуле:
где - минимальное значение коэффициента отражения в коротковолновой части спектра при данной длине волны
Для цветных красок суммируют значения K/S, определенные для различных длин волн света спектрофотометрическим методом. У белых пигментов значения K и S незначительно изменяются с длиной волны и для них принимают:
где - яркость (коэффициент отражения) переукрывающего слоя краски, т.е. слоя такой толщины, что дальнейшее ее увеличение не влияет на яркость
Укрывистость краски Dк (в г/м2) рассчитывают по формуле:
;
где Ну – минимальная толщина слоя краски, при клоторой достигается ее укрывистость, мкм;
- плотность краски, г/см3;
При определении Ну по двухконтрастному методу на одну тонкую бесцветную прозрачную стеклянную пластину наносят неукрывающий слой краски, а на другую – заведомо переукрывающий слой краски. затем измеряют коэффициент отражения переукрывающего слоя и при наложении пластинки с неукрывающим слоем на черную подложку – коэффициент отражения неукрывающего слоя . Измерив коэффициенты отражения слоев краски только на двух пластинках и определив толщину Н (в мкм) неукрывающего слоя, по формуле КГМ можно рассчитать Ну и тем самым определить укрывистость краски.
При условии, что коэффициент контрастности С=0,98, коэффициент отражения белой подлоэжки Rб=0,80, а черной подложки Rч=0, была получена следующая формула для определения Ну для белых и светлых цветных красок с :
где R0 – коэффициент отражения неукрывающего слоя, наложенного на черную подложку с Rч=0.
оптические константы a и b вычисляются по формулам:
Величины Р и а зависят только от . Установлено, что в пределах , с погрешностью .
Подставив в формулу, приведенную выше для расчета Ну это выражение для Р, получаем:
;
Данная формула получена при условии наложения пластинки с неукрывающим слоем краски на черную подложку с коэффициентом отражения Rч=0.
При отсутствии такой черной подложки, т.е. для случая когда , в формулу вводят коэффициент m и заменяют в ней R0 на R’, где R’ – коэффициент отражения неукрывающего слоя краски на черной подложке с , но не более 0,05. Формула принимает следующий вид:
Коэффициент m вычисляют по формуле:
За результат испытания принимают среднеарифметическое трех параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 3% [10,11].