Untersuchung des Trocknungsprozesses von Acrylfarben und Gelmedien

Untersuchung des Trocknungsprozesses von Acrylfarben und Gelmedien

Trocknungsraten von Acrylpolymerdispersionen

Auf den meisten Behältern handelsüblicher Farben, Grundierungen und Beschichtungen ist es üblich, dass auf dem Etikett eine bestimmte Zeitspanne angegeben wird, in der das Produkt trocken sein muss. „Trocknet in 2-4 Stunden unter idealen Bedingungen.“ „Trocknet bei Berührung in 30-60 Minuten“. „Lassen Sie das Produkt 4 Stunden trocknen, bevor Sie es erneut beschichten. Warum also gibt Golden Artist Colors solche Informationen nicht auf den meisten seiner Produkte an? Die Antwort ist einfach: Unsere Produkte werden auf viele verschiedene Arten, auf vielen verschiedenen Oberflächen und in einer Vielzahl von Umgebungen verwendet. Daher ist es äußerst schwierig, eine „Schätzung“ abzugeben, ohne mehr Details über die Anwendung zu kennen und die unterschiedlichen Anforderungen in jeder Phase eines Kunstwerks zu berücksichtigen. Handelt es sich um die Grundierung vor der Arbeit in Öl? Muss das Werk morgen früh auf einen Lieferwagen verladen werden? Soll die Oberfläche mit wässrigen Schichten von Acrylfarben gesättigt werden? Handelt es sich um ein Außenwandbild in Louisiana? Diese Komplexität lässt uns innehalten, wenn die Frage gestellt wird: „Wie lange dauert es, bis es trocknet?“

Es ist zwar unmöglich, alle Aspekte zu berücksichtigen und absolute Trocknungszeiten anzugeben, aber in diesem Artikel beschreiben wir einige der Faktoren, die den Trocknungsprozess beeinflussen, zeigen aktuelle Testergebnisse auf und erörtern, wie sich all dies auf eine reale Situation auswirken kann.

Trocknungsphasen von Acrylpolymerdispersionen

Auf der einfachsten und schematischsten Ebene trocknen Acrylfarben durch Verdunstung von Wasser und anderen „flüchtigen“ Bestandteilen aus dem Farbfilm. Wenn diese entweichen, rücken die Acrylfeststoffe näher zusammen, bis sie miteinander in Kontakt kommen und einen Film bilden. Diese verdichten sich schließlich mit ausreichender Kraft, um Wasser und Additive herauszudrücken, bis es zur Koaleszenz kommt. Der ausgehärtete Film ist nun recht stabil und reagiert nicht mehr nachteilig auf Feuchtigkeit oder nachfolgende Farbschichten.

Bei dünneren Anwendungen und unter idealen Trocknungsbedingungen scheinen Acrylfarben innerhalb von Minuten oder Stunden trocken zu sein. Umgekehrt ist es nicht ungewöhnlich, dass dick aufgetragene Farbfilme Wochen oder Monate brauchen, um den gleichen Zustand zu erreichen. Obwohl alle Acryllackfilme über die gleichen Mechanismen trocknen – Wasser und Co-Lösungsmittel entweichen – spielen während des Prozesses viele Faktoren eine Rolle, die das Ergebnis beeinflussen, insbesondere die Trocknungsgeschwindigkeit. Tatsächlich können dicke Lackfilme mehrere Zonen in verschiedenen Trocknungsstadien aufweisen, die jeweils einen unterschiedlichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen aufweisen.

Während dieser Prozess im Laufe der Jahre eher lose definiert wurde und einige Begriffe für verschiedene Menschen unterschiedliche Bedeutungen haben, wird im Folgenden versucht, die grundlegenden Phasen des Prozesses darzustellen (Abbildung 2).

Nasse Farbe – Das Produkt aus dem Behälter bleibt so, bis es auf die Palette oder Leinwand aufgetragen wird. Die Farbe hat noch ihren Ausgangsgehalt an flüchtigen Bestandteilen (Wasser und Co-Lösungsmittel), die beim Auftragen auf den Untergrund aus dem Film entweichen. Die nasse Farbe ist noch beweglich und lässt sich leicht mit Pinsel oder Messer bearbeiten, aber sie wird merklich steifer. Die Polymerpartikel werden enger aneinander gezogen, und wenn die Farbe nicht mehr gleichmäßig verarbeitbar ist, ist die Phase der Nasslackierung beendet.

Abgehärtet – Da die flüchtigen Stoffe rasch aus dem Farbfilm entweichen, rücken die Acrylfeststoffe enger zusammen. Je nach Dicke des Farbfilms kann die Farbe mehrere Stadien in sehr schneller Folge durchlaufen. Dieses Stadium beschreibt den Moment, in dem man die Lackoberfläche leicht berühren kann und sich eine ausreichende Haut gebildet hat, so dass sich das Produkt bei Berührung nicht mehr abhebt. Wenn ein Farbfilm verhaut ist, hat die permanente Filmstruktur begonnen.

Berührungstrocken – Das Stadium der Berührungstrockenheit ist sehr eng mit dem Stadium der Verhäutung verbunden. Eine dünne Schicht kann innerhalb von Sekunden von nasser Farbe zu überzogener Farbe und zu trockener Farbe übergehen! Bei dickeren Filmen ist die Haut jedoch in der Regel dick genug, um einige Berührungen auszuhalten, ohne dass sie Falten wirft oder reißt. Die Haut wächst kontinuierlich, wenn die flüchtigen Bestandteile entweichen, aber es bleibt immer noch eine beträchtliche Menge an Additiven darunter, besonders auf nicht saugfähigen Substraten.

Trocken in der Handhabung/Festkörper – Irgendwann hat der Farbfilm keine übermäßig feuchten Bereiche mehr und der Gewichtsverlust verlangsamt sich erheblich. Auch wenn die Künstler glauben, dass ihr Farbfilm dann „trocken“ ist, ist dies nicht der Fall. Viele Zusatzstoffe müssen noch herausgelöst werden. Dies wäre ein schlechter Zeitpunkt, um das Gemälde für den Transport zu verpacken oder zu rollen, da die Acrylfarben in diesem Stadium sehr zerbrechlich sind. Da die Filme nur teilweise ausgehärtet sind, sind die Haftung und die Integrität des Films noch nicht voll entwickelt.

Ausgehärtet/Koaleszenz – Während des Trocknungsprozesses haben sich die Acrylfeststoffe in eine dicht gepackte Anordnung bewegt (wie bei einem Tetris-Spiel in freier Form), wodurch die meisten flüchtigen Bestandteile herausgedrückt werden. Darüber hinaus hat das Vorhandensein von Filmbildungsadditiven diese Acrylfeststoffe aufgeweicht, so dass sie sich umeinander herum verformen und alle Luftzwischenräume zwischen den Partikeln beseitigen können. Die Lücken zwischen den Festkörpern, in denen sich früher Wasser und andere flüchtige Stoffe befanden, sind nun beseitigt, so dass sich ein hexagonales, wabenförmiges Polymernetzwerk bilden kann. Dieser Vorgang wird als Koaleszenz bezeichnet. Erst wenn eine ausreichende Koaleszenz stattgefunden hat, ist der Lackfilm stabil und entwickelt seine endgültigen physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Man könnte annehmen, dass die Koaleszenz die letzte Phase des Prozesses für einen Acryllackfilm ist. Dies ist zwar weitgehend richtig, doch müssen Acrylfilme ein gewisses Maß an hydrophilen oder wasserliebenden Additiven enthalten, um mit Wasser kompatibel zu sein. Das bedeutet, dass sie unweigerlich etwas Wasser aufnehmen, selbst wenn sie scheinbar trocken sind. Darüber hinaus führt ein gewisses Maß an unvollständiger Koaleszenz dazu, dass Acrylfolien etwas porös sind und Kanäle hinterlassen, die entlang der Wände der hexagonal verformten Partikel verlaufen. Diese Poren sind dann Durchgänge für Wasser, das sich in den Film hinein- und herausbewegen kann.

Ein gewisser Beweis dafür ist in der Grafik (Abbildung 3) zu sehen, aus der ersichtlich ist, dass selbst nach einem längeren Zeitraum noch eine relativ große Menge an flüchtigen Bestandteilen im Film vorhanden ist. Es ist erstaunlich, wie viel Integrität die Folie erreicht hat, wenn tatsächlich noch 5-20 % der ursprünglichen Menge an flüchtigen Bestandteilen vorhanden sind. Acrylfolien verlieren weiter an Gewicht und gewinnen an Gewicht, je nachdem, in welcher Atmosphäre sie sich befinden. Höhere Temperaturen und ein erhöhter Luftstrom führen dazu, dass die Feuchtigkeit entweicht, während eine höhere relative Luftfeuchtigkeit den Film dazu anregt, Feuchtigkeit zu speichern. Dieser Prozess setzt sich fort, wenn die Farbe mit der Umgebung reagiert und sich wieder an den Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre anpasst. Dieser Prozess entwickelt sich recht langsam – vor allem in einem sich ständig verändernden Klima wie in New York – und es dauert viele Monate, bis ein stabiles Gleichgewicht erreicht ist. Wie bei jedem porösen Material bleibt ein gewisser Feuchtigkeitsgehalt erhalten, es sei denn, die Luftfeuchtigkeit wird lange genug gesenkt, um die Feuchtigkeit herauszuziehen.

Einrichtung des Tests

Um mehr über den zeitlichen Ablauf des Trocknungsprozesses von Acrylglas zu erfahren, wurde eine Reihe von Testparametern festgelegt, um einige überschaubare und einflussreiche Trocknungsfaktoren zu untersuchen und sie mit den wichtigsten Phasen der Trocknung zu identifizieren. Wir erkannten, dass wir nicht alle Faktoren testen konnten. Da die Tests alle zur gleichen Zeit durchgeführt wurden, konnten wir Unterschiede bei Temperatur und Luftfeuchtigkeit ausschließen. Umweltfaktoren sind zwar wichtig, aber es wäre unpraktisch, sie in dieser Testrunde zu kontrollieren. Was auch immer die Umgebungsbedingungen waren, sie wurden aufgezeichnet. Der Luftstrom wurde auf den normalen Raumverkehr beschränkt.

Es wurden immer mindestens drei Testmuster erstellt, und es wurden Substrate gewählt, die keine Feuchtigkeit aufnehmen (Aluminium, Lexan und Polyestergewebe). Ein Problem, das bereits zu Beginn der Tests erkannt wurde, war, dass die gängigsten Künstlerträger selbst so saugfähig sind, dass die Feuchtigkeit das Gewicht des Substrats während der Tests verändern kann. Baumwollgewebe absorbiert und speichert Wasser. Das Gleiche gilt für Hartfaserplatten und Papier. Bei den ausgewählten Trägern bot die Polyesterleinwand eine atmungsaktivere Oberfläche, während die Acrylfolien und Aluminiumplatten eher versiegelte Oberflächen boten. Ziel war es, herauszufinden, ob versiegelte bzw. atmungsaktive Oberflächen den Trocknungsprozess verändern würden.

Die tatsächlichen Chargeninformationen sowohl des Regular Gel (Gloss) als auch des Heavy Body Titanium White, die für diesen Test ausgewählt wurden, wurden aufgezeichnet und zur Berechnung des tatsächlichen Feststoffgehalts verwendet, der für den Vergleich des Verlusts an flüchtigen Bestandteilen während der Trocknung entscheidend ist.

Es wurden zwei Testreihen durchgeführt. Eine Reihe begann vor über einem Jahr, und eine zweite Reihe wurde über einen Zyklus von 60 Tagen beobachtet.

Filmdicken

Unsere Acryl-Trocknungszeittests umfassten eine Reihe von Standard-Farbfilmdicken. Wir benutzten die Werkzeuge, um den Bereich der Dicke zu bestimmen und eine realistische Reihe von gleichmäßig gegossenen Filmen zu erhalten. Wir wählten 10 mil (etwa die Dicke eines großzügig aufgetragenen Pinsels), 62,5 mil (1/16″), 125 mil (1/8″) und 250 mil (1/“) für diesen Test.

Methoden zur Beurteilung der Trocknungsgeschwindigkeit

1. Die Farbschicht während des Trocknens physisch manipulieren, um die wichtigsten Phasen festzuhalten. Dies ist auch für Künstler die zugänglichste Art, die Trocknung zu messen (Abbildung 4). Das Berühren eines Farbfilms ist der beste Weg, um festzustellen, wie trocken er ist.
2. Sehen Sie sich die Schicht auf Anzeichen von Häutung und Aufhellung an. Die Oberfläche schrumpft und verändert sich während des Trocknens. Gele beginnen milchig-weiß und werden dann auf dem Weg zur Klarheit durchscheinend und trübe. Optische Veränderungen zeigen entscheidende Punkte im Trocknungszyklus an.
3. Wiegen der Testplatte. Die meisten Künstler sind nicht in der Lage, ihre Kunstwerke während des Malprozesses zu wiegen. Selbst wenn sie es täten, ist die Information nicht sehr aussagekräftig, wenn man nicht auch den tatsächlichen Feststoffgehalt kennt. Durch den Vergleich des Gewichtsverlusts mit den physikalischen und visuellen Ergebnissen ergibt sich ein genaues Bild des Trocknungsprozesses.

Testergebnisse

Wie man sich vorstellen kann, entstehen bei dieser Art von Tests riesige Tabellen voller Daten. Jeder Test wird einzeln betrachtet und dann mit den anderen verglichen. Einer der wichtigsten Teile der Tests war der Versuch, den Gehalt an flüchtigen Stoffen im Verhältnis zum Trockenheitsgrad der Lackfilme in jedem Intervall zu bestimmen. Um dies zu veranschaulichen, haben wir ein Diagramm erstellt (Abbildung 5). Diese Spanne basiert auf dem Vergleich des Gewichtsverlusts der Probe mit den physikalischen und visuellen Veränderungen, und in der Realität laufen die meisten Phasen so schnell ab, dass eine Phase in die nächste übergeht. Dickere Filme geben uns ein besseres Verständnis dieser Beziehung, aber diese Schlüsselpunkte im Trocknungszyklus sind wichtig, um die folgenden Ergebnisse zu ermitteln.

Rasche Trocknung zu Beginn

Bei allen Testplatten tritt der meiste Verlust an flüchtigen Bestandteilen zu Beginn des Trocknungszyklus auf. Der Verlust von Wasser und Co-Lösemitteln wird dadurch begünstigt, dass keine oder zumindest keine sehr dicke Farbschicht vorhanden ist. Man kann diesen schnellen Verlust anhand der Diagramme in Abbildung 5 erkennen. Interessant war, dass jeder Film die gleiche Trocknungskurve aufwies, als wir den Gewichtsverlust aufzeichneten. Wir stellten fest, dass dünne Farbfilme etwa 3 Tage brauchen, um einen festen Zustand zu erreichen. Das bedeutet nicht, dass man keine Farbe oder kein Medium mehr auftragen kann, sondern ist eher ein allgemeiner Zeitrahmen, den man abwarten sollte, bevor man etwas Extremes tut, wie z. B. das Gemälde strecken oder lackieren.

Substrat beeinflusst Trocknungsraten

Es hat sich gezeigt, dass der Einfluss des Substrats auf die Trocknungszeit erheblich ist. Das gleiche Produkt, das in der gleichen Dicke aufgetragen wird, trocknet auf einem atmungsaktiven Substrat wie Leinen, das die Trocknung in beide Richtungen fördert, deutlich schneller als auf einer nicht saugfähigen Platte. Anfangs war der Gewichtsverlust ähnlich, aber als die Farbfilme begannen, eine dickere Haut auf der Oberfläche zu entwickeln, entstand ein Muster, das den Unterschied zeigt.

Die Tests zeigen, dass ein atmungsaktiveres Substrat die Trocknung in zwei Richtungen ermöglicht. Die nicht saugfähigen Aluminiumkarten zeigten in fast allen Fällen einen deutlich langsameren Gewichtsverlust und ein langsameres Abklingen der Gele (Abbildung 6).

Foliendicke

Die Foliendicke ist seit jeher als Schlüsselfaktor für die Trocknungsgeschwindigkeit von Acrylaten bekannt. 10-Millimeter-Filme von Gelen und Heavy Body Acrylics sind innerhalb von Minuten grifftrocken. Der Farbfilm trocknet gleichmäßig und folgt dem normalen Trocknungsprozess der Farbe. Wenn jedoch dickere Schichten aufgetragen werden, besteht der entscheidende Unterschied in der Entwicklung einer Farbhaut, die während des Trocknens immer stärker wird, bis der gesamte Farbfilm zusammenwächst (Abbildung 7). Diese Lackhaut behindert den Austritt von flüchtigen Bestandteilen aus dem Film drastisch.

Wir überprüfen dies anhand der Geschwindigkeit, mit der das Regular Gel (Gloss) aufklart, und es gibt einen direkten Beweis dafür, indem wir es mit der Geschwindigkeit des Gewichtsverlustes vergleichen. Außerdem konnten wir dies anhand der Daten zur physikalischen Manipulation bestätigen. In jedem Fall trocknen dünnere Filme schneller als ein dickeres Gegenstück, unabhängig von Produkt oder Substrat.

Produktunterschiede

Aufgrund des großen Umfangs dieses Tests war die Anzahl der getesteten Produkte begrenzt. Heavy Body Titanium White und Regular Gel (Gloss) boten eine angemessene Bandbreite an Produktunterschieden. Wir sind uns darüber im Klaren, dass verschiedene Arten von Pigmenten, Lackformulierungen und andere Produkte sich anders verhalten werden als diese beiden Produkte. Abgesehen von den festen Acrylpolymeren können die Produkte eine Vielzahl zusätzlicher Feststoffe enthalten, darunter viele Arten von Pigmenten, Füllstoffen, Körnungen und Mattierungsmitteln, während Gele in der Regel nur das Acrylbindemittel als Feststoff enthalten, es sei denn, es enthält Mattierungsmittel.

Beim Vergleich zwischen Titanium White und Regular Gel gab es anfangs nicht viele Unterschiede zwischen den beiden Produkten, und zwar bei den verschiedenen Stärken und Untergründen. Das Titanium White scheint einen frühen Vorsprung bei der Gewichtsabnahme zu haben und diesen Vorsprung während des 60-tägigen Testzyklus beizubehalten. In mehreren Testgruppen lag der endgültige Gehalt an flüchtigen Bestandteilen in der Folie zwischen 7 und 15 % (Abbildung 8).

Manipulationsergebnisse

Wir manipulierten (mit Zahnstochern und später mit Bleistiften) die Oberfläche sowohl des Gels als auch der weißen Farbe mehrere Tage lang, bis kein Unterschied mehr in der Reaktion des Acryls auf Stöße erkennbar war (Abbildung 4). Wir stellten fest, dass dünnere Filme so schnell trockneten, dass es schwierig war, die verschiedenen Veränderungen zu messen, die auftraten, so dass die dickeren Anwendungen die meisten aufzeichenbaren Daten lieferten.

Die Produkte wurden merklich dicker und begannen sich während des ersten Testtages zu schälen. Im Allgemeinen beginnen sich Acrylschichten am ersten Tag des Trocknens sehr schnell zu verändern. Innerhalb weniger Stunden entwickelte sich auf dem Titanium White eine „Kruste“, die der Kruste von Brie (weicher, gereifter Käse) ähnelte, während die Gel-Haut eher gummiartig war und sich zog und dehnte, wenn man sie anfasste.

Am zweiten Tag war ein Punkt erreicht, an dem es schwierig war, noch Zahnstocher zu verwenden. Die Haut war dick und unnachgiebig, so dass zur Überprüfung der Trockenheit auf Bleistifte zurückgegriffen werden musste. Das sanfte Stochern wich bald einem aggressiveren Stochern. Am Ende der zweiten Woche waren die Folien stark genug, um Bleistiftminen zu zerbrechen.

Kleine versus große Fläche

Bei dieser Art von Forschung kommt es immer wieder vor, dass die Testdaten eine Kurve werfen. Die Standardannahme wäre, dass ein kleinerer Acryllackfilm schneller trocknet als ein größerer. Richtig? Nicht so schnell. Wir haben einen 2″ großen Kreis des Produkts mit einem 12″ großen Kreis des Produkts verglichen, beide auf einer Platte. Sowohl bei den Proben für Regular Gel (Gloss) als auch für Heavy Body Titanium White verlor der größere Kreis schneller an Gewicht als sein Gegenstück mit dem kleineren Durchmesser. Die Unterschiede mögen nicht wesentlich sein, aber sie waren groß genug, um uns zu fragen, warum dies geschah.

Zonale Trocknung

Während weitere Tests durchgeführt werden müssen, um diese Ergebnisse besser zu verstehen, ist eine Theorie, dass bei einer großen, dicken Farb- oder Gelschicht das anfängliche Produkt genau wie der kleinere Kreis überzieht, aber die Gesamtdicke dieser Haut variiert von der Mitte zum Rand (Abbildung 9). Es kann sein, dass der mittlere Bereich der Lackhaut dünner ist, weil während des Trocknens durch das Trocknen der Ränder ein Ansturm von flüchtigen Stoffen in die Mitte erfolgt. Der äußere Rand häutet sich zuerst und wird schnell dichter, wodurch es für das Wasser schwieriger wird, den Film zu durchdringen. Wasser nimmt den einfachsten Weg, um aus einem Material zu entweichen. In diesem Fall fließt das Wasser nach innen zur Mitte hin und führt dazu, dass das Wasser den Film etwas schneller verlassen kann, als dies bei einer dünneren, gleichmäßig gehäuteten Farbschicht möglich wäre.

Zusammenfassung

Viele Künstler nutzen die Vorteile der schnellen Trocknung von Acrylfarben. Dies ist eine der wichtigsten Eigenschaften der Acrylfarben, und obwohl sie mit Hilfe von Verzögerern verlangsamt werden kann, ermöglicht die schnelle Trocknung eine breite Palette von Techniken. Wenn die Zeit jedoch kritisch ist, werden viele Künstler, die nicht alle Faktoren frühzeitig bedacht haben, mit dem Problem konfrontiert, dass sie länger als gewünscht warten müssen, bevor sie mit der nächsten Phase ihres Malprozesses beginnen können. Wenn man dick malt, muss man verstehen, wie wichtig es ist, dieser großzügigen Schicht Zeit zum Trocknen zu geben. Wenn eine schnellere Trocknung wichtig ist, dann sollte man sich genau ansehen, was man ändern kann, um die Trocknungszeit zu verbessern.

Zusammenfassend zu den Testergebnissen sind hier einige wichtige Gedanken:

-Dünne Schichten trocknen schneller als dickere Schichten. Das bedeutet nicht, dass Sie keine dicken Schichten auftragen können, aber prüfen Sie, ob es möglich ist, mehrere dünnere Schichten aufzutragen, anstatt eine dicke Schicht.

-Atmungsaktive Stoffe ermöglichen eine schnellere Trocknung in beide Richtungen. Paneele bieten zwar eine große Stabilität, aber ihre Verwendung bedeutet, dass alle flüchtigen Stoffe den Farbfilm nur in eine Richtung verlassen können, meist durch eine sich verdickende Farbhaut.

-Die Auswahl des Produkts kann die Trocknung beeinflussen, aber nicht genug, um übermäßig besorgt zu sein.

-Die Größe des Gemäldes ist kein kritischer Faktor.

-Umgebungsfaktoren haben einen großen Einfluss auf die Trocknung. Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftströmung können angepasst werden, um die Trocknungszeiten zu kontrollieren.

Abschließend ist es wichtig anzumerken, dass wir zwar die Trocknungszeitvariablen in diesem Test isoliert haben, dass aber im Atelier die Fähigkeit des Künstlers, so viele Variablen wie möglich zu kontrollieren, zu schnelleren Gesamttrocknungszeiten führen sollte, ohne potenzielle Probleme zu verursachen. Dünn aufgetragene Farbfilme auf gespannter Leinwand, die in einem warmen, trockenen Raum mit guter Luftzirkulation trocknen dürfen, werden viel schneller trocknen als ein Impasto-Gemälde auf einer Tafel im Keller. Auch wenn Sie es eilig haben, sollten Sie sich die Zeit nehmen, so viele Variablen wie möglich in die Gleichung der Trocknungszeit einzubeziehen, um Ihren Bedürfnissen gerecht zu werden.