Sifat estetika dan mekanik lapisan cat dipengaruhi oleh ukuran partikel pigmen. Ukuran partikel dapat mempengaruhi warna, opasitas, kilap, kekuatan pewarnaan, viskositas, dan laju sedimentasi.
Sifat estetika dan mekanik lapisan cat dipengaruhi oleh ukuran partikel pigmen. Ukuran partikel dapat mempengaruhi warna, opasitas, kilap, kekuatan pewarnaan, viskositas, dan laju sedimentasi. Misalnya, ukuran partikel pigmen titanium dioksida sering dikontrol antara 0,2 dan 0,35μm (atau setengah panjang gelombang cahaya) untuk memaksimalkan hamburannya dan itulah daya tersembunyinya.
Pigmen primer seperti titanium dioksida adalah komponen cat yang paling mahal. Jadi merupakan kepentingan pabrik untuk mengurangi penggunaan pigmen primer dalam cat. Bagaimanapun, ini harus dilakukan tanpa mempengaruhi kualitas lapisan akhir.
Bahan baku bubuk, yang tidak larut dalam media aplikasi, pada awalnya digunakan sebagai cara yang murah untuk memproduksi produk cat secara massal. Biaya bahan pengisi (filler) ini sekitar $ 0,1 hingga $ 0,4 sedangkan pigmen anorganik 5 hingga 10 kali lebih mahal dan pigmen organik 50 hingga 100 kali lebih mahal. Menggunakan filler memungkinkan produsen untuk mengurangi jumlah pigmen dari 18% menjadi 10%, dan pengurangan yang signifikan lebih lanjut telah disarankan [1].
Gambar 1: Jarak pigmen ditingkatkan dengan mengurangi ukuran partikel filler (hitam: pigmen, kuning: extender)
Seiring perkembangan teknologi, ditemukan bahwa penggunaan filler dengan ukuran, bahan, atau bentuk tertentu dapat meningkatkan estetika atau sifat mekanis lapisan. Aditif ini sekarang juga dikenal sebagai pigmen extender karena perubahan penggunaannya.
Berbagai macam bahan sekarang digunakan sebagai pigmen extender. Sebagai contoh; Klorit digunakan untuk memperbaiki sifat penghalang seperti tahan air karena bentuknya yang seperti plat. Mika, bahan berbentuk plat lainnya, dapat membantu ketahanan korosi. Silika digunakan untuk memperbaiki rheologi cat, dan meratakan tampilan cat. Wollasonite digunakan untuk meningkatkan kekuatan film karena bentuk acicular nya [2].
Materi yang akan dibahas dalam catatan aplikasi ini adalah Barium Sulphate atau Barytes. Barytes digunakan sebagai extender untuk mengontrol kilap lapisan, dan karena secara kimiawi inert.
Ukuran partikel pigmen extender dapat mempengaruhi lapisan dengan salah satu dari dua cara. Pertama, extender dapat mempengaruhi kilap lapisan - ukuran partikel yang lebih kecil menghasilkan lapisan yang lebih halus dan meningkatkan kilap. Untuk mendapatkan kilap yang tinggi, ukuran partikel harus lebih kecil dari ketebalan film dan tidak mengandung partikel yang terlalu besar. Kedua, ukuran partikel pigmen extender dapat digunakan untuk mengontrol jarak partikel pigmen primer dalam film cat. Jarak dari partikel pigmen primer mempengaruhi opasitas lapisan. Terlalu banyak pigmen atau extender dapat menyebabkan partikel berkelompok dan mengurangi opasitas lapisan. Berkelompoknya partikel ini dapat dihindari dengan mengurangi ukuran partikel pigmen extender (gambar 1) [1].
Oleh karena itu penting dalam produksi Barium Sulphate untuk mengontrol ukuran partikel. Khususnya ukuran maksimum, atau Dv97, dikontrol untuk mengoptimalkan opasitas lapisan dan meningkatkan kilap.
Tujuan dari catatan aplikasi ini adalah untuk menunjukkan bagaimana ukuran partikel extender Barium Sulfat mempengaruhi kilap lapisan. Selain kilap awal, pengaruh ukuran partikel pada perataan (penurunan kilap) selama pengeringan juga ditunjukkan. Catatan aplikasi ini juga akan mencakup bagaimana pengukuran laser difraksi telah digunakan untuk menentukan dan mengontrol proses produksi.
Distribusi ukuran partikel dari pigmen extender diperoleh dengan menggunakan laser difraksi. Ini adalah teknik yang telah dikenal dengan sangat baik untuk ukuran partikel. Prinsip umum dan penampilan instrumen yang diharapkan tercakup dalam standar ISO [3]. Keuntungan dari teknik ini, dan khususnya sistem laser difraksi Mastersizer, mencakup rentang dinamis yang lebar (10nm hingga 3,5 mm), dan fleksibilitas untuk mengukur berbagai sampel termasuk bubuk kering, suspensi dan emulsi. Pengukurannya juga cepat, yang memungkinkan banyak pengukuran dilakukan dalam sehari.
Instrumen pengukur laser beroperasi dengan mengukur cahaya yang dihamburkan oleh sekelompok partikel pada berbagai sudut. Sudut di mana sebuah partikel menyebarkan cahaya bergantung pada ukurannya. Distribusi ukuran partikel kemudian dapat dihitung menggunakan model hamburan dan sifat optik sampel.
Produsen pigmen extender memerlukan fleksibilitas gerak laser untuk mengukur berbagai sampel pada kisaran ukuran yang luas. Teknik ini memberikan kemampuan untuk mengukur sampel basah dan kering, serta mencakup rentang ukuran dari bahan awal proses hingga produk akhir. Instrumen dapat digunakan untuk memberikan umpan balik langsung untuk pelacakan proses, memungkinkan ukuran pigmen extender disesuaikan dengan aplikasi tertentu. Sebagai alternatif, dapat digunakan, dengan bantuan prosedur operasi standar, dengan kendali mutu untuk memastikan spesifikasi produk akhir.
Extender barium sulfat diproduksi dari barium sulfat alami dengan kemurnian tinggi, silika rendah dan dengan tingkat keputihan (whiteness) tinggi. Batuan dan bubuk awalnya dihancurkan menjadi gumpalan besar berukuran sekitar 25mm. Sebuah roller mill kemudian digunakan untuk menggiling material menjadi sekitar 45 hingga 50μm yang menjadi bahan baku untuk air jet mill. Dalam hal ini, laser diflaksi digunakan untuk mengukur distribusi ukuran bahan baku, yang hasilnya digunakan untuk mengatur parameter awal untuk proses penggilingan air jet mill. Sampel reguler kemudian diambil dari pabrik untuk menentukan kapan nilai target Dv97 diperoleh (4,5μm atau lebih rendah).
Sampel dari ukuran partikel yang berbeda diperoleh dengan menjalankan air jet mill pada kecepatan yang berbeda. Sampel diukur menggunakan unit dispersi kering. Sampel Barium Sulfat dengan ukuran partikel yang berbeda kemudian dimasukkan ke dalam formulasi cat alkid gloss dekoratif untuk menetapkan pengaruh ukuran partikel extender pada kilap lapisan cat.
Tingkat kilap suatu lapisan ditentukan dengan mengukur intensitas cahaya yang dipantulkan oleh permukaan. Sumber cahaya digunakan untuk menerangi permukaan dan intensitas pantulan diukur dengan detektor pada rentang sudut terbatas, 20 °, 65 °, dan 80 °. Kilauan lapisan kemudian akan ditentukan pada salah satu sudut ini tergantung pada jenis catnya. Pengukuran kilap berhubungan dengan kaca hitam poles (polished balck glass) yang masing-masing memiliki nilai kilap 100 pada tiap geometrinya. Untuk mendapatkan pengukuran kilap yang dapat direproduksi, penting untuk memastikan bahwa permukaannya rata, dengan warna yang sama dan tidak bercahaya.
Kilauan cat alkyd 20 ° diukur selama 25 hari waktu pengeringan. Sistem cat mengandung konsentrasi volume pigmen total 21,5%, dimana konsentrasi pigmen primer adalah 2,5%.
Distribusi ukuran partikel dari sampel yang diperoleh dengan menjalankan air jet mill pada kecepatan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 2. Seperti yang diharapkan, ini menunjukkan bahwa kecepatan penggilingan / pengklasifikasi meningkat maka ukuran partikel berkurang. Untuk memastikan bahwa tidak ada partikel yang terlalu besar, penggilingan dikontrol pada Dv97 (yang setidaknya harus di bawah 4,5μm). Karena ukuran sangat penting untuk kinerja produk, pengukuran ukuran partikel dilakukan secara berkala selama proses produksi untuk memastikan bahwa ukuran yang benar diperoleh.
Gambar 2: Distribusi ukuran partikel pada kisaran kecepatan mesin penggiling
Kilap 20° diukur untuk empat cat yang dibuat dengan menggunakan pigmen extender dengan ukuran partikel yang berbeda [Tabel 1]. Gambar 3 menunjukkan kilap sebagai fungsi waktu pengeringan untuk keempat sampel. Tingkat kilap lebih tinggi untuk sampel dengan ukuran partikel terkecil. Hal ini berkaitan dengan partikel yang lebih kecil yang memungkinkan cat mencapai lapisan yang lebih halus dan meningkatkan jumlah cahaya yang dipantulkan. Gambar 3 juga menunjukkan bagaimana kilap bervariasi dari waktu ke waktu saat lapisan mengering. Dalam setiap kasus saat lapisan mengering kilapnya berkurang.
Tabel 1: Dv97 dengan kecepatan mesin penggiling yang berbeda
| Kecepatan Pabrik (rpm) | Dv97 (μm) |
|---|---|
| 2850 | 3.58 |
| 3550 | 2.99 |
| 4100 | 2.68 |
| 5300 | 2.5 |
Adalah kepentingan pabrikan untuk mempertahankan kilap sebanyak mungkin. Oleh karena itu, penting untuk melihat perbedaan antara kilap 20° yang diukur pada hari ke-4 dan pada hari ke-29. Perbedaan kilap sebagai fungsi ukuran partikel extender ditunjukkan pada Gambar 4. Sekali lagi dapat dilihat bahwa menggunakan extender dengan ukuran partikel yang lebih kecil meningkatkan estetika lapisan dengan mempertahankan tingkat kilap yang lebih tinggi dari waktu ke waktu.
Gambar 3: 20° gloss sebagai fungsi waktu pengeringan untuk 4 ukuran partikel yang berbeda.
Gambar 4: Perubahan Gloss sebagai fungsi ukuran partikel.
Fakta bahwa lebih banyak kilap ditahan oleh cat dengan ukuran partikel yang lebih kecil juga disebabkan oleh kekasaran permukaan. Lebih khusus lagi, ini tergantung pada bagaimana kekasaran permukaan berubah saat cat mengering. Jika cat basah, lapisan untuk masing-masing sampel akan memiliki permukaan yang sangat halus sehingga kilapnya lebih tinggi. Saat pelapisan mengering, kekasaran permukaan akan semakin bergantung pada ukuran partikel extender. Oleh karena itu, pada pelapis dengan ukuran partikel yang lebih besar, kekasaran permukaan akan bertambah dan cat akan kehilangan kilap lebih saat mengering.
Ukuran partikel pigmen extender Barium Sulfat telah berhasil diukur dengan menggunakan laser difraksi. Hasil pengukuran ini dapat digunakan untuk mengontrol proses produksi, dengan memungkinkan pengaturan kecepatan mesin penggiling yang benar. Ukuran partikel pigmen extender diklasifikasikan pada Dv97. Mengontrol Dv97 memungkinkan proporsi partikel yang sangat besar dalam bubuk diminimalkan, karena jika tidak, ini akan memengaruhi opasitas dan kilap lapisan.
Kilap (gloss) dari sebuah lapisan dapat ditingkatkan dengan mengurangi ukuran partikel. Ukuran partikel yang lebih kecil menghasilkan lapisan yang lebih halus yang memungkinkan lebih banyak cahaya untuk dipantulkan dan meningkatkan kilap. Mengurangi ukuran partikel juga membantu mempertahankan kilap seiring waktu saat lapisan mengering.
Terima kasih banyak kepada Howard Beedle di Viaton Industries, Inggris untuk menyediakan data yang disajikan dalam catatan aplikasi.
Referensi
[1] Extenders, Clive Hare, Paintings and Coatings Industry, Februari 2001.
[2] Pengaruh Pemanjang Ukuran Partikel Halus dan Udara yang Terjebak pada TiO2 dalam Cat Emulsi.
[3] ISO 13320: 2009 Analisis Ukuran Partikel- Metode Pergerakan Laser
Artikel diadaptasi dari publikasi Malvern Panalytical (AN101104RelatingPaintGlossToParticleSize-EN)
