Investigating the Drying Process of Acrylic Color and Gel Medium
Drying Rates of Acrylic Polymer Dispersion
Sulla maggior parte dei contenitori di vernici commerciali, primer e rivestimenti, è comune che l’etichetta fornisca un tempo specifico per l’asciugatura del prodotto. “Si asciuga in 2-4 ore in condizioni ideali”. “Si asciuga al tatto in 30-60 minuti”. “Lasciare asciugare 4 ore prima di rivestire nuovamente”. Allora perché Golden Artist Colors non elenca queste informazioni sulla maggior parte dei suoi prodotti? La risposta è semplice: i nostri prodotti vengono usati in molti modi diversi, su molte superfici diverse e in una miriade di ambienti. Perciò è estremamente difficile offrire una “stima” senza conoscere maggiori dettagli sull’applicazione e tenendo conto delle diverse esigenze in ogni fase di un’opera d’arte. È lo strato di fondo prima di lavorare ad olio? L’opera deve essere su un camion per le consegne al mattino? Avete intenzione di saturare pesantemente la superficie con strati umidi di acrilici? Si tratta di un murale esterno in Louisiana? Questa complessità ci fa soffermare ogni volta che ci viene posta la domanda “quanto tempo ci vorrà per asciugare?”
Anche se è impossibile tenere conto di ogni aspetto e fornire tempi di asciugatura assoluti, in questo articolo descriviamo alcuni dei fattori che circondano il processo di asciugatura, riveliamo i risultati di test recenti e discutiamo come tutto ciò può avere un impatto su una situazione reale.
Fasi di essiccazione della dispersione dei polimeri acrilici
Al livello più semplice e schematico, gli acrilici si asciugano per evaporazione dell’acqua e di altri “volatili” dalla pellicola di vernice. Man mano che questi se ne vanno, i solidi acrilici si avvicinano l’uno all’altro fino ad entrare in contatto tra loro e formare una pellicola. Questi alla fine si compattano insieme con abbastanza forza da spremere l’acqua e gli additivi fino a raggiungere la coalescenza. La pellicola polimerizzata è ora abbastanza stabile e non reagisce negativamente all’umidità o agli strati di vernice successivi.
In applicazioni più sottili e in condizioni di asciugatura ideali, gli acrilici sembreranno essere asciutti in pochi minuti o ore. Al contrario, non è raro che le pellicole di vernice applicate in modo spesso impieghino settimane o mesi per raggiungere lo stesso stato. Anche se tutte le pellicole di vernice acrilica si asciugano attraverso gli stessi meccanismi – acqua e co-solventi che se ne vanno – ci sono molti fattori in gioco durante il processo che influenzano il risultato, in particolare la velocità di asciugatura. Infatti, le pellicole di vernice spessa possono avere diverse zone a diversi stadi di essiccazione, ognuna con un diverso grado di contenuto volatile.
Mentre nel corso degli anni questo processo è stato definito piuttosto vagamente, e alcuni termini significheranno cose diverse per persone diverse, quello che segue è un tentativo di rappresentare le fasi di base del processo (Figura 2).
Pittura bagnata – Il prodotto dal contenitore rimane tale fino a quando viene applicato alla tavolozza o alla tela. La vernice ha ancora il suo livello iniziale di volatili (acqua e co-solventi) che iniziano ad evacuare la pellicola quando viene applicata al substrato. La vernice bagnata è ancora mobile e può essere manipolata facilmente con il pennello o il coltello, ma sta diventando notevolmente più rigida. Le particelle di polimero si avvicinano e quando la vernice non è più uniformemente lavorabile, la fase di vernice umida è finita.
Skinned Over – Quando i volatili cominciano a lasciare rapidamente la pellicola di vernice, i solidi acrilici si avvicinano. A seconda dello spessore del film di vernice, la vernice può passare attraverso diverse fasi in rapida successione. Questo particolare descrive il momento in cui si può toccare leggermente la superficie della vernice e si è sviluppata una pelle sufficiente a far sì che il prodotto non si sollevi quando viene toccato. Quando un film di vernice si spella, la struttura permanente della pellicola è iniziata.
Touch Dry – La fase di touch dry è strettamente collegata alla fase di skinned over. Uno strato sottile può passare da vernice bagnata, a spellato sopra, a secco al tatto in pochi secondi! Tuttavia, nelle pellicole più spesse, c’è di solito una pelle abbastanza consistente da sopportare qualche tocco senza che si raggrinzisca o si strappi. La pelle cresce continuamente man mano che i volatili fuoriescono, ma rimane ancora una quantità significativa di additivi sotto, specialmente su substrati non assorbenti.
Secco da maneggiare/stato solido – Ad un certo punto la pellicola di vernice cessa di avere aree eccessivamente bagnate e il tasso di perdita di peso rallenta significativamente. Mentre gli artisti possono credere che questo sia il momento in cui la loro pellicola di vernice è “asciutta”, non lo è. Un sacco di additivi devono ancora uscire. Questo sarebbe un brutto momento per cercare di imballare o arrotolare il dipinto per il trasporto, poiché gli acrilici sono molto fragili in questa fase. Poiché le pellicole sono solo parzialmente indurite, l’adesione e l’integrità della pellicola non sono ancora completamente sviluppate.
Indurito/Coalizzato – Durante il processo di essiccazione i solidi acrilici si sono spostati in una disposizione strettamente imballata (come un gioco di Tetris a forma libera), causando la maggior parte dei volatili che vengono spinti fuori nel processo. Inoltre, la presenza di additivi per la formazione di pellicole ha ammorbidito questi solidi acrilici per permettere loro di deformarsi l’uno intorno all’altro ed eliminare qualsiasi spazio d’aria tra le particelle. Gli spazi tra i solidi, una volta occupati dall’acqua e da altri volatili, sono ora eliminati, permettendo la formazione di una rete polimerica esagonale a nido d’ape. Questo processo è noto come coalescenza. È solo dopo che si è verificata una sufficiente coalescenza che il film di vernice è stabile e si sviluppano le proprietà fisiche e chimiche finali.
Si potrebbe supporre che la coalescenza sia la fase finale del processo di un film di vernice acrilica. Mentre questo è in gran parte vero, i film acrilici devono incorporare un certo grado di additivi idrofili, o che amano l’acqua, per essere compatibili con l’acqua. Questo significa che inevitabilmente tratterranno un po’ d’acqua anche dopo che saranno apparentemente asciutte. Inoltre, un livello di coalescenza incompleta fa sì che i film acrilici siano in qualche modo porosi, lasciando canali che corrono lungo le pareti delle particelle deformate esagonalmente. Questi pori sono quindi passaggi per l’acqua per muoversi dentro e fuori la pellicola.
Alcune prove di questo si vedono nel grafico (Figura 3), dove è evidente che rimane una quantità relativamente significativa di volatili nella pellicola, anche dopo un lungo periodo di tempo. E’ sorprendente quanto sia stata raggiunta l’integrità della pellicola, quando in realtà rimane ancora il 5-20% del livello originale di volatili. Le pellicole acriliche continueranno a perdere peso così come a guadagnarne, a seconda dell’atmosfera in cui si trovano. Le temperature più alte e l’aumento del flusso d’aria tendono a scacciare l’umidità, mentre l’umidità relativa più alta incoraggia la pellicola a trattenere l’umidità. Questo processo continuerà man mano che la vernice reagisce con l’ambiente, riequilibrandosi ai livelli di umidità dell’atmosfera. Il processo è piuttosto lento a svilupparsi – specialmente in un clima sempre mutevole come quello di New York – impiegando molti più mesi per raggiungere un punto di equilibrio stabile. Come con qualsiasi materiale poroso, ci sarà un livello di umidità che potrebbe non andarsene mai, a meno che il livello di umidità non venga abbassato abbastanza a lungo per far uscire l’umidità.
Impostazione del test
Per saperne di più sui tempi del processo di essiccazione degli acrilici, sono stati definiti una serie di parametri di test per guardare alcuni fattori di essiccazione gestibili e influenti, e identificarli con le fasi chiave dell’essiccazione. Ci siamo resi conto che non potevamo testare ogni fattore. Poiché i test sono stati fatti tutti nello stesso momento, siamo stati in grado di escludere le differenze di temperatura e umidità. I fattori ambientali sono importanti, ma sarebbe stato poco pratico cercare di controllarli durante questa serie di test. Qualunque fossero le condizioni ambientali, sono state registrate. Il flusso d’aria è stato limitato al normale traffico della stanza.
Sono sempre stati creati un minimo di tre campioni di prova, e sono stati scelti substrati che erano inerti alla ritenzione dell’umidità (alluminio, Lexan e tela di poliestere). Un problema realizzato all’inizio dei test era che i supporti più comuni per artisti sono essi stessi abbastanza assorbenti da permettere all’umidità di alterare il peso del substrato durante i test. La tela di cotone assorbe e trattiene l’acqua. Così come il cartone e la carta. Tra i substrati scelti, la tela di poliestere offriva una superficie più traspirante, mentre i fogli acrilici e i pannelli di alluminio offrivano superfici più sigillate. L’obiettivo era quello di vedere se le superfici sigillate rispetto a quelle traspiranti avrebbero alterato il processo di asciugatura.
Le informazioni effettive del lotto sia del Regular Gel (Gloss) che dell’Heavy Body Titanium White selezionati per questo test sono stati registrati e utilizzati per calcolare i livelli effettivi di solidi che sono fondamentali per confrontare la perdita di volatili durante l’asciugatura.
Sono state condotte due serie di test. Una serie è iniziata più di un anno fa, e una seconda serie è stata osservata per un ciclo di 60 giorni.
Spessori del film
I nostri test sul tempo di asciugatura dell’acrilico hanno incluso una serie di spessori standard del film di vernice. Abbiamo usato gli strumenti per decidere la gamma di spessori e fornire una serie realistica di film uniformemente colati. Abbiamo scelto 10 mil (circa lo spessore di un’applicazione generosamente spazzolata), 62.5 mil (1/16″), 125 mil (1/8″), e 250 mil (1/”) per questo test.
Metodi per valutare i tassi di asciugatura
- Modulare fisicamente lo strato di vernice durante l’asciugatura per notare le fasi chiave. Questo è il modo più accessibile agli artisti per misurare anche l’essiccazione (Figura 4). Toccare una pellicola di pittura è il modo migliore per determinare quanto è asciutta.
- Ispezionare visivamente lo strato per segni di spellatura e schiarimento. La superficie si restringe e cambia mentre si asciuga. I gel iniziano bianco latte e poi diventano traslucidi e nebulosi sulla loro strada verso la chiarezza. I cambiamenti ottici indicano punti cruciali nel ciclo di asciugatura.
- Pesare il pannello di prova. La maggior parte degli artisti non sono in grado di pesare le loro opere d’arte durante il processo di pittura. Anche se lo facessero, l’informazione non significa molto se non si conosce anche il livello effettivo di solidi. Confrontando la perdita di peso con i risultati fisici e visivi, viene rivelato un quadro accurato del processo di essiccazione.
Risultati dei test
Come si può immaginare, questo tipo di test crea enormi fogli elettronici pieni di dati. Ogni test viene esaminato individualmente e poi confrontato con gli altri. Una delle parti più importanti dei test è stata quella di cercare di definire il livello di volatili in relazione al grado di secchezza dei film di vernice ad ogni intervallo. Abbiamo creato un grafico per aiutare a visualizzarlo (Figura 5). Questo intervallo si basa sul confronto tra la perdita di peso del campione e i cambiamenti fisici e visivi, e in realtà la maggior parte delle fasi avviene così rapidamente che una fase si confonde con la successiva. Le pellicole più spesse ci danno una migliore comprensione di questa relazione, ma questi punti chiave nel ciclo di essiccazione sono importanti da stabilire per i risultati da seguire.
Essiccazione Rapida Iniziale
In ogni test panel, la maggior parte della perdita volatile avviene all’inizio del ciclo di essiccazione. La perdita di acqua e co-solventi è facilitata dalla mancanza di una pelle di vernice, o almeno non molto consistente. Si può vedere questa rapida perdita guardando i grafici della figura 5. Ciò che è stato interessante è stato vedere ogni film creare la stessa linea della curva di essiccazione quando abbiamo tracciato la perdita di peso. Abbiamo notato che le pellicole di vernice sottile impiegano circa 3 giorni per raggiungere uno stato solido. Questo non significa che non si può continuare ad applicare vernice o medium, ma piuttosto un lasso di tempo generale da aspettare prima di fare qualcosa di estremo, come allungare la pittura o verniciare.
Il substrato influenza i tassi di essiccazione
L’impatto del substrato sul tempo di essiccazione si è dimostrato significativo. Lo stesso prodotto applicato allo stesso spessore si asciuga notevolmente più velocemente su un substrato traspirante come la tela, che favorisce l’essiccazione bidirezionale, rispetto a un pannello non assorbente. All’inizio, la perdita di peso era simile, ma quando i film di vernice hanno cominciato a sviluppare una pelle più spessa sulla superficie, è emerso un modello che mostrava la differenza.
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I test mostrano che un substrato più traspirante permette un’asciugatura bidirezionale. Le carte di alluminio non assorbenti in quasi tutti i casi hanno mostrato una perdita di peso significativamente più lenta e un’asciugatura più lenta dei gel (Figura 6).
Spessore del film
Lo spessore del film è sempre stato riconosciuto come un fattore chiave nel tasso di asciugatura degli acrilici. Le pellicole da 10 mil di gel e gli acrilici Heavy Body diventano asciutti al tatto in pochi minuti. La pellicola di vernice si asciuga uniformemente e segue il processo standard di asciugatura della vernice. Ma quando si applicano strati più spessi, la differenza chiave è lo sviluppo di una pelle di vernice che diventa più consistente durante l’essiccazione fino a quando l’intera pellicola di vernice si fonde (Figura 7). Questa pelle di vernice impedisce drasticamente il movimento dei volatili fuori dal film.
Lo abbiamo verificato in base alla velocità con cui il Regular Gel (Gloss) è in grado di schiarirsi, e c’è una prova diretta a sostegno di ciò, confrontandolo con il tasso di perdita di peso. Siamo stati inoltre in grado di confermare questo rispetto ai dati di manipolazione fisica. In ogni caso, le pellicole più sottili si asciugano più velocemente di una controparte più spessa, indipendentemente dal prodotto o dal substrato.
Differenze tra i prodotti
A causa della vasta portata di questo test, il numero di prodotti testati era limitato. Heavy Body Titanium White e Regular Gel (Gloss) hanno fornito una gamma ragionevole di differenze di prodotto. Riconosciamo che vari tipi di pigmenti, formulazioni di vernice e altri prodotti si comporteranno diversamente da questi due prodotti. A parte i solidi del polimero acrilico, i prodotti possono contenere una vasta gamma di solidi aggiuntivi, compresi molti tipi di pigmenti, riempitivi, graniglie e agenti opacizzanti, mentre i gel tendono ad avere solo il legante acrilico come solidi, a meno che non contengano solidi opacizzanti.
Confrontando Titanium White con Regular Gel, non ci sono state molte differenze tra loro all’inizio, nei vari spessori e substrati. Il Titanium White sembra avere un vantaggio iniziale per quanto riguarda la perdita di peso, e ha mantenuto questo vantaggio per il ciclo di test di 60 giorni. In diversi gruppi di test il livello finale di volatili rimasti nella pellicola era tra il 7 e il 15% (Figura 8).
Risultati della manipolazione
Abbiamo manipolato (con stuzzicadenti e poi matite) la superficie sia del gel che della vernice bianca per diversi giorni fino a quando non c’era una differenza percettibile in come l’acrilico rispondeva ad essere pungolato (Figura 4). Abbiamo scoperto che le pellicole più sottili si asciugavano così rapidamente che era difficile misurare i vari cambiamenti che si verificavano, quindi le applicazioni più spesse hanno fornito i dati più registrabili. In generale, gli strati acrilici iniziano a cambiare molto rapidamente durante il loro primo giorno di asciugatura. Entro diverse ore, si è sviluppata una “crosta” sul Titanium White simile alla crosta del Brie (formaggio morbido e stagionato), mentre la pelle del gel era più gommosa, tirando e allungando quando la si tastava.
Al secondo giorno, c’era un punto in cui era difficile usare ancora gli stuzzicadenti. Le pelli erano spesse e inflessibili, rendendo necessario passare all’uso di matite per controllare la secchezza. I pungoli delicati hanno presto ceduto il passo a quelli più aggressivi. Alla fine della seconda settimana, le pellicole erano abbastanza forti da rompere le mine delle matite.
Piccole dimensioni contro grandi superfici
Ogni tanto, quando si fa questo tipo di ricerca, i dati dei test lanciano una palla curva. Il presupposto standard sarebbe che una pellicola di vernice acrilica più piccola si asciughi più velocemente di una più grande. Giusto? Non così velocemente. Abbiamo confrontato un cerchio di 2″ di prodotto con un cerchio di 12″ di prodotto, entrambi su pannello. In entrambi i campioni Regular Gel (Gloss) e Heavy Body Titanium White, il cerchio più grande ha perso peso più velocemente della sua controparte di diametro inferiore. Le differenze potrebbero non essere sostanziali, ma c’era abbastanza differenza da farci chiedere perché questo è successo.
Esiccazione zonale
Sebbene sia necessario condurre ulteriori test per comprendere ulteriormente questi risultati, una teoria è che su un grande e spesso strato di vernice o gel, il prodotto iniziale si spella proprio come il cerchio più piccolo, ma lo spessore complessivo di questa pelle varia dal centro al bordo (Figura 9). Può essere che l’area centrale della pelle della vernice sia più sottile a causa dell’afflusso di volatili al centro durante l’essiccazione causato dall’essiccazione dei bordi. Il bordo esterno si spella per primo ed è rapidamente più stretto rendendo più difficile il passaggio dell’acqua attraverso la pellicola. L’acqua prende la via più facile per uscire da un materiale. In questo caso, l’acqua scorre verso l’interno, verso il centro, e il risultato è che l’acqua è in grado di lasciare la pellicola ad una velocità leggermente superiore a quella consentita da uno strato di vernice più sottile e uniformemente spellato.
Sommario
Molti artisti approfittano della natura di asciugatura rapida degli acrilici. È una delle sue caratteristiche più note, e anche se può essere rallentata con l’uso di ritardanti, la rapida essiccazione permette una grande gamma di tecniche. Tuttavia, quando il tempo è critico, molti artisti che non hanno pensato a tutti i fattori all’inizio, affronteranno il problema di dover aspettare più a lungo di quanto desiderato prima di iniziare la fase successiva del loro processo di pittura. Se uno dipinge spesso, allora deve capire l’importanza di dare a quello strato generoso il tempo di asciugarsi. Se un’asciugatura più rapida è importante, allora guardate bene cosa può essere cambiato per migliorare il tempo di asciugatura.
Per riassumere i risultati del test, ecco alcuni pensieri chiave:
-Gli strati sottili asciugano più velocemente degli strati più spessi. Ciò non significa che non si possa finire con strati spessi, ma vedere se è possibile applicare diversi strati più sottili piuttosto che uno strato pesante.
-Tessuti traspiranti facilitano un’asciugatura più veloce in due direzioni. I pannelli forniscono certamente una grande stabilità, ma usarli significa che tutti i volatili possono lasciare il film di vernice solo in un modo, per lo più attraverso una pelle di vernice che si ispessisce.
-La scelta del prodotto può influenzare l’essiccazione, ma non abbastanza da preoccuparsi eccessivamente.
-La dimensione del dipinto non è un fattore critico.
-I fattori ambientali sono grandi influenzatori dell’essiccazione. La temperatura, l’umidità e il flusso d’aria possono essere regolati per controllare i tempi di asciugatura.
Infine, è importante notare che mentre abbiamo isolato le variabili del tempo di asciugatura in questo test, nello studio, la capacità dell’artista di controllare il maggior numero possibile di variabili dovrebbe risultare in tempi di asciugatura generale più veloci senza causare potenziali problemi. Le pellicole di vernice applicate in modo sottile su tela tesa, lasciate asciugare in uno spazio caldo e asciutto con un buon flusso d’aria, si asciugheranno molto più velocemente di un dipinto a impasto su pannello nel seminterrato. Quindi, anche quando avete fretta, prendetevi il tempo di calcolare il maggior numero possibile di variabili nelle equazioni dei tempi di essiccazione per soddisfare le vostre esigenze.