Undersökning av torkningsprocessen för akrylfärg och gelmedium

Undersökning av torkningsprocessen för akrylfärg och gelmedium

Torkningshastighet för akrylpolymerdispersioner

På de flesta behållare med kommersiell färg, grundfärg och ytbeläggning är det vanligt att märkningen anger en specifik tidsram för när produkten ska vara torr. ”Torkar på 2-4 timmar under idealiska förhållanden”. ”Torkar vid beröring på 30-60 minuter.” ”Låt torka i 4 timmar före ny ytbehandling.” Så varför anger Golden Artist Colors inte sådan information på de flesta av sina produkter? Svaret är enkelt: våra produkter används på många olika sätt, på många olika ytor och i en mängd olika miljöer. Därför är det ytterst svårt att ge en ”gissning” utan att veta mer detaljer om tillämpningen och ta hänsyn till de olika behoven i varje skede av ett konstverk. Är detta grundskiktet innan man arbetar med oljor? Behöver verket ligga på en leveransbil på morgonen? Ska du kraftigt mätta ytan med tvättade lager av akrylfärger? Är detta en väggmålning utomhus i Louisiana? Denna komplexitet får oss att stanna upp när vi får frågan ”hur lång tid tar det att torka?”

Samtidigt som det är omöjligt att ta hänsyn till alla aspekter och ge absoluta torktider, beskriver vi i den här artikeln några av de faktorer som omger torkningsprocessen, avslöjar aktuella testresultat och diskuterar hur allt detta kan påverka en verklig situation.

Torkningsstadier för akrylpolymerdispersion

På den enklaste och mest schematiska nivån torkar akrylprodukter genom avdunstning av vatten och andra ”flyktiga ämnen” från färgfilmen. När dessa försvinner rör sig de fasta akrylämnena närmare varandra tills de kommer i kontakt med varandra och bildar en film. Dessa komprimeras så småningom med tillräcklig kraft för att pressa ut vatten och tillsatser tills det når koalescens. Den härdade filmen är nu ganska stabil och reagerar inte negativt på fukt eller efterföljande färglager.

I tunnare tillämpningar och under idealiska torkningsförhållanden verkar akrylater vara torra inom några minuter eller timmar. Omvänt är det inte ovanligt att tjockt applicerade färgfilmer tar veckor eller månader att nå samma tillstånd. Även om alla akrylfärgfilmer torkar via samma mekanismer – vatten och medlösningsmedel försvinner – finns det många faktorer som spelar in under processen och som påverkar resultatet, särskilt torkningshastigheten. I själva verket kan tjocka färgfilmer ha flera zoner i olika stadier av torkning, var och en med en varierande grad av flyktigt innehåll.

Men även om denna process under årens lopp har definierats ganska löst, och vissa termer kommer att betyda olika saker för olika personer, är följande ett försök att representera processens grundläggande stadier (figur 2).

Våt färg – Produkten från behållaren förblir så tills den appliceras på paletten eller duken. Färgen har fortfarande sin startnivå av flyktiga ämnen (vatten och medlösningsmedel) som börjar evakuera filmen när den appliceras på underlaget. Våt färg är fortfarande rörlig och kan lätt manipuleras med pensel eller kniv, men den blir märkbart styvare. Polymerpartiklarna dras närmare varandra och när färgen inte längre är enhetligt bearbetningsbar är våtfärgsstadiet över.

Skinned Over – När de flyktiga ämnena snabbt börjar lämna färgfilmen rör sig de fasta akrylämnena närmare varandra. Beroende på färgfilmens tjocklek kan färgen genomgå flera stadier i mycket snabb följd. Just detta beskriver det ögonblick då man lätt kan röra vid färgytan och tillräckligt mycket hud har utvecklats för att produkten inte ska lyfta när man rör vid den. När en färgfilm blir skinnad har den permanenta filmstrukturen påbörjats.

Touch Dry – Det touch dry-stadiet är mycket nära besläktat med det skinnade stadiet. Ett tunt skikt kan gå från våt färg, till skinnad över, till beröringstorkning på några sekunder! I de tjockare filmerna finns det dock vanligtvis ett tillräckligt tjockt skinn för att tåla en viss beröring utan att det skrynklar sig eller går sönder. Huden växer kontinuerligt när de flyktiga ämnena försvinner, men det finns fortfarande en betydande mängd tillsatser under ytan, särskilt på icke absorberande substrat.

Dry to Handle/Solid State – Vid en viss tidpunkt slutar färgfilmen att ha några alltför våta områden och viktförlusten avtar avsevärt. Även om konstnärer kanske tror att detta är när deras färgfilm är ”torr”, så är det inte så. Massor av tillsatser måste fortfarande komma ut. Detta skulle vara en dålig tidpunkt att försöka packa eller rulla tavlan för transport, eftersom akrylfärgerna är mycket ömtåliga i detta skede. Eftersom filmerna bara är delvis härdade är vidhäftningen och filmens integritet ännu inte fullt utvecklade.

Härdat/koalescerat – Under torkningsprocessen har akrylens fasta ämnen rört sig i ett tätt packat arrangemang (som något friformigt Tetris-spel), vilket gör att majoriteten av de flyktiga ämnena pressas ut i processen. Dessutom har förekomsten av filmbildande tillsatser mjuknat dessa akrylförekomster så att de kan deformeras runt varandra och eliminera eventuella luftspalter mellan partiklarna. De luckor mellan de fasta ämnena som tidigare var upptagna av vatten och andra flyktiga ämnen är nu eliminerade, vilket gör det möjligt för ett hexagonalt, honeycomb-liknande polymernätverk att bildas. Denna process kallas koalescens. Det är först när tillräcklig koalescens har inträffat som färgfilmen är stabil och de slutliga fysiska och kemiska egenskaperna utvecklas.

Man skulle kunna anta att koalescens är det sista steget i en akrylfärgfilmsprocess. Även om detta till stor del är sant måste akrylfilmer innehålla en viss grad av hydrofila, eller vattenälskande, tillsatser för att vara kompatibla med vatten. Detta innebär att de oundvikligen kommer att hålla kvar en del vatten även efter att de är till synes torra. Dessutom gör en ofullständig koalescens att akrylfilmerna är något porösa och lämnar kanaler som löper längs de hexagonalt deformerade partiklarnas väggar. Dessa porer är sedan passager för vatten att röra sig in och ut ur filmen.

Ett bevis på detta syns i grafen (figur 3), där det är uppenbart att det fortfarande finns en relativt betydande mängd flyktiga ämnen i filmen, även efter en längre tidsperiod. Det är förvånande hur mycket filmens integritet har uppnåtts, när det i själva verket fortfarande finns 5-20 % av den ursprungliga nivån av flyktiga ämnen kvar. Akrylfilmer fortsätter att tappa vikt såväl som att öka i vikt, beroende på vilken atmosfär de befinner sig i. Högre temperaturer och ökat luftflöde tenderar att driva bort fukten, medan högre relativ luftfuktighet uppmuntrar filmen att hålla kvar fukten. Denna process kommer att fortsätta när färgen reagerar med omgivningen och återigen jämnar ut sig till fuktnivåerna i atmosfären. Processen är ganska långsam att utveckla – särskilt i ett ständigt skiftande klimat som New York – och det tar många fler månader att nå en punkt med stabil jämvikt. Som med alla porösa material kommer det att finnas en nivå av fukt som kanske aldrig försvinner om inte fuktnivån sänks tillräckligt länge för att dra ut fukten.

Installation av testet

För att lära sig mer om tidpunkten för torkningsprocessen av akrylmaterial definierades en serie testparametrar för att titta på några hanterbara och inflytelserika torkningsfaktorer, och identifiera dem med viktiga stadier av torkningen. Vi insåg att vi inte kunde testa alla faktorer. Eftersom alla tester gjordes samtidigt kunde vi utesluta skillnader i temperatur och luftfuktighet. Miljöfaktorer är viktiga, men skulle vara opraktiska att försöka kontrollera under denna testomgång. Oavsett vilka de omgivande förhållandena var registrerades de. Luftflödet begränsades till normal rumstrafik.

Det skapades alltid minst tre testprover och man valde substrat som var inerta mot fukthållning (aluminium, Lexan och polyesterduk). Ett problem som insågs tidigt i testningen var att de vanligaste konstnärsunderlagen är tillräckligt absorberande i sig själva för att låta fukt förändra underlagets vikt under testningen. Bomullsduk absorberar och behåller vatten. Det gör även hårda kartonger och papper. Inom de valda underlagen erbjöd polyesterduk en mer andningsbar yta, medan akrylfolie och aluminiumplattor erbjöd mer förseglade ytor. Målet var att se om förseglade kontra andningsbara ytor skulle förändra torkningsprocessen.

Den faktiska satsinformationen för både Regular Gel (Gloss) och Heavy Body Titanium White som valdes för detta test registrerades och användes för att beräkna de faktiska torrsubstansnivåerna, vilket är avgörande för att jämföra förlusten av flyktiga ämnen under torkning.

Det genomfördes två testomgångar. En serie inleddes för över ett år sedan och en andra serie observerades under en 60-dagarscykel.

Filmtjocklekar

Vår testning av akrylens torktid omfattade en serie standardiserade färgfilmtjocklekar. Vi använde verktygen för att bestämma intervallet för tjocklek och ge en realistisk uppsättning enhetligt gjutna filmer. Vi valde 10 mil (ungefär samma tjocklek som en generöst penslad applicering), 62,5 mil (1/16″), 125 mil (1/8″) och 250 mil (1/”) för det här testet.

Metoder för att bedöma torkningshastighet

1. Fysiskt manipulera färgskiktet under torkningen för att notera viktiga steg. Detta är det mest lättillgängliga sättet för konstnärer att mäta torkningen också (figur 4). Att röra vid en färgfilm är det bästa sättet att avgöra hur torr den är.
2. Visuellt inspektera skiktet för att se om det finns tecken på skalning och uppklarning. Ytan krymper och förändras när den torkar. Geler börjar mjölkvitt och blir sedan genomskinliga och disiga på sin väg mot klarhet. Optiska förändringar indikerar avgörande punkter i torkningscykeln.
3. Väga testpanelen. De flesta konstnärer har inte möjlighet att väga sina konstverk under målningsprocessen. Även om de gjorde det betyder informationen inte så mycket om man inte också känner till den faktiska fastämneshalten. Genom att jämföra viktförlusten med de fysiska och visuella resultaten får man en korrekt bild av torkningsprocessen.

Testresultat

Som man kan föreställa sig skapar den här typen av testning massiva kalkylblad fulla av data. Varje test granskas individuellt och jämförs sedan med de andra. En av de viktigaste delarna av testningen var att försöka definiera nivån av flyktiga ämnen i förhållande till färgfilmernas torrhetsgrad vid varje intervall. Vi skapade ett diagram för att hjälpa till att visualisera detta (figur 5). Detta intervall bygger på en jämförelse mellan provets viktförlust och fysiska och visuella förändringar, och i verkligheten sker de flesta stadier så snabbt att ett stadium övergår i nästa. Tjockare filmer ger oss en bättre förståelse för detta förhållande, men dessa nyckelpunkter i torkningscykeln är viktiga att fastställa för de resultat som följer.

Snabb torkning tidigt

Till övervägande del, med varje testpanel, sker den största delen av den flyktiga förlusten tidigt i torkningscykeln. Förlusten av vatten och medlösningsmedel underlättas av att det inte finns någon färghud, eller åtminstone inte en särskilt omfattande sådan. Man kan se denna snabba förlust genom att titta på graferna i figur 5. Det som var intressant var att se att varje film skapade samma kurva för torkning när vi plottade viktförlusten. Vi noterade att tunna färgfilmer tar ungefär 3 dagar att nå ett fast tillstånd. Detta betyder inte att man inte kan fortsätta att applicera färg eller medium, utan snarare en allmän tidsram att vänta innan man gör något extremt, till exempel sträcker ut målningen eller lackerar.

Substratet påverkar torkningshastigheten

Den inverkan som substratet har på torkningstiden visade sig vara betydande. Samma produkt som appliceras med samma tjocklek torkar märkbart snabbare på ett andningsbart underlag som duk, som främjar tvåvägstorkning, jämfört med en icke-absorberande panel. I början var viktförlusten likartad, men när färgfilmerna började utveckla ett tjockare skinn på ytan uppstod ett mönster som visade skillnaden.

Testerna visar att ett mer andningsbart substrat möjliggör tvåvägstorkning. De icke-absorberande aluminiumkorten uppvisade i nästan alla fall en betydligt långsammare viktförlust och en långsammare klaring av gelerna (figur 6).

Filmtjocklek

Filmtjocklek har alltid erkänts som en nyckelfaktor för torkningshastigheten hos akrylater. 10 mils filmer av geler och Heavy Body Acrylics blir touch-torra på några minuter. Färgfilmen torkar jämnt och följer den vanliga färgtorkningsprocessen. Men när tjockare lager appliceras är den avgörande skillnaden utvecklingen av en färghud som blir mer omfattande under torkningen tills hela färgfilmen smälter samman (figur 7). Denna färghud hindrar dramatiskt rörelsen av flyktiga ämnen ut ur filmen.

Vi verifierar detta genom att se hur snabbt Regular Gel (Gloss) kan klarna, och det finns direkta bevis för att stödja detta genom att jämföra det med hastigheten på viktförlusten. Vi kunde dessutom bekräfta detta mot data från den fysiska manipulationen. I samtliga fall torkar tunnare filmer snabbare än en tjockare motsvarighet oavsett produkt eller substrat.

Produktskillnader

På grund av den stora omfattningen av detta test var antalet testade produkter begränsat. Heavy Body Titanium White och Regular Gel (Gloss) gav ett rimligt utbud av produktskillnader. Vi är medvetna om att olika typer av pigment, färgformuleringar och andra produkter kommer att bete sig annorlunda än dessa två produkter. Förutom de fasta ämnena i akrylpolymeren kan produkterna innehålla ett stort antal ytterligare fasta ämnen, inklusive många typer av pigment, fyllmedel, gryn och mattningsmedel, medan geler tenderar att endast ha akrylbindemedlet som fasta ämnen, såvida det inte innehåller mattningsmedel.

När vi jämförde Titanium White med Regular Gel fanns det inte så många skillnader mellan dem i ett tidigt skede, i de olika tjocklekarna och substraten. Titanium White verkar dock ta ett tidigt försprång när det gäller viktnedgång, och den behöll detta försprång under den 60 dagar långa testcykeln. I flera testgrupper var den slutliga nivån av flyktiga ämnen som fanns kvar i filmen mellan 7 och 15 % (figur 8).

Manipulationsresultat

Vi manipulerade (med tandpetare och senare pennor) ytan på både gelen och den vita färgen i flera dagar tills det inte fanns någon märkbar skillnad i hur akrylen reagerade på att man petade på den (figur 4). Vi fann att tunnare filmer torkade så snabbt att det var svårt att mäta de olika förändringar som inträffade, så de tjockare . applikationerna gav de mest registrerbara uppgifterna.

Produkterna blev märkbart tjockare och började flå över under den första testdagen. I allmänhet börjar akrylskikten förändras mycket snabbt under den första torkdagen. Inom några timmar utvecklades en ”skorpa” på Titanium White som liknar skorpan på Brie (mjuk, lagrad ost), medan gelskinnet var mer gummiaktigt och drog och sträckte sig när man provade det.

På andra dagen var det en punkt där det var svårt att använda tandpetare längre. Skalen var tjocka och odugliga, vilket gjorde det nödvändigt att övergå till att använda pennor för att kontrollera torrheten. Det försiktiga petandet gav snart vika för ett mer aggressivt petande. I slutet av den andra veckan var filmerna tillräckligt starka för att bryta blyertsminor.

Small Versus Large Area Size

Varje gång så ofta när man gör den här typen av forskning kastar testdata en kurvig boll. Standardantagandet skulle vara att en mindre akrylfärgfilm torkar snabbare än en större. Eller hur? Inte så snabbt. Vi jämförde en 2″ cirkel av produkten med en 12″ cirkel av produkten, båda på panel. I både proverna Regular Gel (Gloss) och Heavy Body Titanium White tappade den större cirkeln vikt snabbare än sin motsvarighet med mindre diameter. Skillnaderna kanske inte är så stora, men de var tillräckligt stora för att få oss att undra varför detta hände.

Zonaltorkning

Men även om fler tester måste genomföras för att ytterligare förstå dessa resultat är en teori att på ett stort, tjockt lager av färg eller gel, så skinnar sig den ursprungliga produkten precis som den mindre 2. cirkeln, men den totala tjockleken på detta skinn varierar från centrum till kant (figur 9). Det kan vara så att det centrala området av färgskinnet är tunnare på grund av att flyktiga ämnen rusar till centrum under torkningen, vilket orsakas av att kanterna torkar. Den yttre kanten skinnar först och blir snabbt tätare vilket gör det svårare för vattnet att passera genom filmen. Vatten tar den enklaste vägen för att fly från ett material. I det här fallet strömmar vattnet inåt mot centrum och resulterar i att vattnet kan lämna filmen i en något snabbare takt än vad ett tunnare, mer jämnt skalat färgskikt tillåter.

Sammanfattning

Många konstnärer drar nytta av akrylfärgernas snabbtorkande karaktär. Det är en av dess mest uppmärksammade egenskaper, och även om den kan bromsas med hjälp av fördröjare, möjliggör den snabba torkningen ett stort antal tekniker. Men när tiden är kritisk kommer många konstnärer som inte har tänkt på alla faktorer i ett tidigt skede att ställas inför problemet att de måste vänta längre än önskat innan de påbörjar nästa fas i sin målningsprocess. Om man målar tjockt måste man förstå vikten av att ge det generösa lagret tid att torka. Om det är viktigt med snabbare torkning ska man ta en ordentlig titt på vad som kan ändras för att förbättra torktiden.

För att sammanfatta testresultaten finns här några viktiga tankar:

-Tunna lager torkar snabbare än tjockare lager. Det betyder inte att du inte kan sluta med tjocka lager, men se om det är möjligt att applicera flera tunnare lager i stället för ett tungt lager.

-Andningsbara tyger underlättar snabbare tvåvägstorkning. Paneler ger förvisso stor stabilitet, men om man använder dem innebär det att alla flyktiga ämnen bara kan lämna färgfilmen på ett sätt, mestadels genom en förtjockande färghud.

-Produktvalet kan påverka torkningen, men inte tillräckligt mycket för att man ska vara överdrivet orolig.

-Målningens storlek är inte en kritisk faktor.

-Miljöfaktorer är stora påverkare av torkningen. Temperatur, luftfuktighet och luftflöde kan justeras för att kontrollera torktiderna.

Slutligt är det viktigt att notera att även om vi isolerade torktidsvariablerna i detta test, bör konstnärens förmåga att kontrollera så många som möjligt i ateljén resultera i snabbare övergripande torktider utan att orsaka potentiella problem. Tunnt applicerade färgfilmer på uppspänd duk som får torka i ett varmt, torrt utrymme med bra luftflöde kommer att torka mycket snabbare än en impastomålning på en panel i källaren. Så även när du har bråttom, ta dig tid att ta med så många variabler som möjligt i ekvationerna för torktid för att uppfylla dina behov.