• No results found

Study of Grain Formation in Linseed Oil-Based Paints

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Study of Grain Formation in Linseed Oil-Based Paints"

Copied!
54
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

       

 

 

Study of Grain Formation in Linseed Oil‐Based 

Paints 

 

 

Ria Afifah Almas 

 

Master Thesis 

 

Supervisor: Anders Larsson, Ph.D  RISE   Bioeconomy and Health  Ann‐Charlotte Hellgren, Ph.D  Research Consultant at Engwall o Claesson AB    Examiner: Prof. Mats Johansson  KTH Royal Institute of Technology  Department of Fibre and Polymer Technology 

 

 

Stockholm, Sweden  November xx, 2020 

 

(2)

Abstract 

A  study  of  grain  formation  in  linseed  oil‐based  paint  have  been  conducted.  The  grains  were  formed in linseed oil paints with either Yellow 1, Yellow 2, Black, or Red as the pigments. There  are two types of grain formation which has been observed from the paint samples. (a) The grains  which immediately appear in the newly made paint with Yellow 1, Yellow 2, and Red paints (b)  while the other type is the grain that developed as the function of storage time in Black linseed  oil paint.   The aims of the study were to identify the content of the grains, determine the parameter which  induced the grain formation, and to propose a method that can minimize the grain formation for  both types of grains. The project has been performed by analyzing the linseed oil paint's chemical  composition, producing the linseed oil paint by varying the parameters such as oil content, metal  driers,  dispersing  agents,  and  the  grinding  process  of  the  paint.  The  grains  were  analyzed  regarding chemical composition, morphology, surface analysis, and molecular interaction using  analytical methods such as FTIR, pyrolysis GC, SEM‐EDS, XPS, and profilometry. The result showed  that the immediately formed grains were caused by the accumulation of the pigment particles.  High content of iron was found in the grains of Yellow 1 paint. Therefore, the immediate grains  in  the  Yellow  1,  Yellow  2,  and  Red  linseed  oil  paints  were  due  to  the  partial  pigment  deagglomeration  during  the  grinding  process.  The  grain  formation  could  be  reduced  by  optimizing the grinding condition in the paint formulation. The grains developed over time in the  Black paint have been identified as most probably caused by pigment re‐agglomeration because  of  insufficient  particle  stabilization  by  the  dispersing  agents.  In  this  case,  the  grains  could  be  reduced through the different polymeric chains in the dispersing agent structure. The chemical  content of the grain itself could not be identified in our experiments and needs to be studied  further with advanced analytical methods. The contribution of metal soaps to the grain formation  in the linseed oil paint is still not clarified.              

 

 

(3)

Table of Contents 

Chapter 1 ... 4  Introduction ... 4  1.1 Background of the study ... 4  1.2 Purpose of the Study ... 5  Chapter 2 ... 7  Theoretical Background ... 7  2.1 Linseed oil ... 7  2.2 The Drying Process of Linseed oil ... 8  2.3 Linseed Oil as Paint ... 9  2.4 Processing of the Paint ... 10  2.5 Stabilization of the particles ... 11  2.6 Metal soap formation in linseed oil ... 12  2.7 Methods of Analysis ... 14  Chapter 3 ... 16  Materials and Methods ... 16  3.1 Materials ... 16  3.2 Experimental Methods ... 16  3.3 Methods of Analysis ... 17  Chapter 4 ... 20  Results ... 20  4.1 Analysis of the Component in the Linseed oil Paint ... 20  4.2 Analysis of linseed oil paint with Yellow 1 pigment ... 24  4.3 Analysis of Immediate Grains on the Other Iron Pigments ... 31  4.4 Analysis the grain formation in the Black Paint ... 34  Chapter 5 ... 44  Discussion ... 44  5.1 The Presence of the Raw Linseed Oil in Paint Formulation ... 44  5.2 Chemical Dispersing Agent ... 44  5.3 Mechanical Dispersion Process ... 46  5.4 Methods to Reduce the Grain Formation in Linseed Oil Paint ... 47 

(4)

Chapter 6 ... 49  Conclusion ... 49  Chapter 7 ... 50  Future Work Research ... 50  Reference ... 51   

 

           

(5)

Chapter 1 

Introduction

 

1.1 Background of the study 

Linseed oil has been widely used as a varnish, wood protection, and oil‐based paint since the 15th  century.[1]  In  the  paint  industry,  linseed  oil  is  used  as  a  binder  as  well  as  the  solvent  and  constitutes a renewable resource. The linseed oil paint is one of the sustainable resources with  few, mostly non‐toxic additives that generate an environmentally friendly product. Moreover,  the paint only contain small amounts of volatile organic compounds (VOC) with no hazardous  waste when the paint is decomposed.[2] 

The  linseed  oil  paint  produces  a  complex  multi‐layered  structure  due  to  the  heterogeneous  mixture between fatty acid hydrocarbon chains from the linseed oil and inorganic compounds  such as pigments, fillers, and dispersing agents.[3] The binder of the paint, linseed oil, has the  capability to form a stable, continuous drying film with good mechanical properties. However, it  also has the tendency to change in terms of optical appearance due to the long‐term degradation  of the drying oil.[4]  The Engwall o Claesson Company has been producing and selling linseed oil paints for over 100  years. In some cases, there is a problem in the manufacturing process of linseed oil paints with  some specific pigments. The problem initiates lumps or grains in the finished product that affect  the properties and aesthetical function of the paint. The grains appear on the dry film surface of  the paint that sometimes resembles sandpaper. The grains are most often formed when the paint  is  produced  with  the  pigments  which  refer  to  Yellow  1,  Yellow  2,  Black,  and  Red.  This  is  a  complicated situation in the manufacturing process that causes problems for customers as well  as for the company. This complicated phenomenon is most certainly due to the chemical nature  in the paint composition. Engwall o Claesson has a well‐equipped laboratory but incapable to  investigate in detail the cause of this phenomenon and how to avoid it.  

The  problem  with  grain  formation  is  mostly  evident  in  the  freshly  made  paint.  Sometimes,  especially in the case of a Black paint, the grains develop after the paint had been stored for some  weeks in the can. Therefore,  the grains which  appear on the  black paint surface is  labeled as  developed  grains.  Based  on  the  observation,  it  produces  a  smaller  size  of  grains  on  the  film  surface compare to for instance Yellow 1 paint. Figure 1 below shows the grains on film surface  of linseed oil paint when it was freshly made and aged 2 months in the can.  

(6)

  Figure 1. The grains on the film surface of (a) Yellow 1 freshly made, (b) Black freshly made, (c) Black aged 2 

months. 

In this study, the grain formation in linseed oil paint can be categorized into two types of formed  grains,  i.e.,  grains  formed  immediately  during  paint  preparation  and  grains  developed  over  several weeks in the can. The particles might flocculate in the storage can due to van der Waals  attraction and deficiency in steric stabilization of the particles.[5] Therefore, the first hypothesis  is  that  the  grain  formation  might  be  caused  by  incomplete  deagglomeration  and  re‐ agglomeration  of  the  inorganic  particles  in  the  paint  formulation.  The  initially  agglomerated  particles might not be deagglomerated completely due to not enough mechanical energy and  time in the paint preparation process. The second hypothesis is that the developed grains are  formed due to re‐agglomeration of pigments upon storage. It might be caused by incomplete  stabilization of pigment particles causing them to agglomerate upon storage. 

Another hypothesis is that the grain formation might be induced by metal soap interaction. It has  been  reported  that  zinc  soaps  can  form  in  old  oil  paintings  and  create  protrusion  in  layered  surfaces. [6] The metal soap can be produced by interaction of the fatty acids carboxylic groups  with zinc or other metal ions present in the paint formulation.[7] 

1.2 Purpose of the Study 

There are three purposes of this research study. The first purpose is to identify the composition  of the grains themselves. The next one is to analyze which condition or parameter in the linseed  oil  paint  promotes  the  grain  formation.  The  final  purpose  is  to  find  a  method  to  reduce  or  minimize the grains formation in the linseed oil‐based paint, i.e, improve the recipes for these  paints. 

(7)

  Figure 2. Schematic approach in this research.  The approach to determine the reason how and why the grain phenomenon appear in linseed oil  paints has been performed through several steps. The study of the grain formation was started  by analyzing the composition of the paint. Second, the influence of additives containing metals  towards the drying paints appearance was investigated. It was followed by studying the effect of  the dispersing agents towards the drying paints appearance and varied the parameters which  affects the dispersion during paint process such as grinding speed and time. The grains were also  analyzed  further  both  in  atomic  and  chemical  content  by  using  analytical  methods  such  as  Scanning  Electron  Microscope  (SEM),  Energy  Dispersive  X‐Ray  Spectroscopy  (EDS),  Fourier  Transform  Infrared  Spectroscopy  (FTIR),  Pyrolysis  Gas  Chromatography  (GC),  and  X‐Ray  Photoelectron Spectroscopy (XPS). 

 

(8)

Chapter 2 

Theoretical Background  

2.1 Linseed oil 

In general, linseed oil is derived from flax . It is one of the essential crops with dark brown seeds  that are around 4‐6 cm long, oval, and flat in shape. [1] The seeds are grown into fiber or oil crops  derived  from  fiber‐type  or  oil‐type  varieties.  The  linseed  oil  can  be  processed  by  different  methods either by cold pressing, hot pressing, solvent extraction, and refining with pre‐pressing  beforehand. [8]  In the pressing method, there are cold and hot‐pressed methods to produce linseed oil. Both of  them are performed by grinding the seeds and pressing with high power. With the high pressure,  the powder seeds will be extracted into oil. The grinding in the hot‐pressed method is proceeds  at high temperature while the cold‐pressed method should not be above 40°C. The cold pressed  has a lower amount of extracted oil but with a better quality of oil than the hot‐pressed one.[9]  The crude linseed oil which is produced by cold‐pressing mainly consists of  triglycerides with  both  unsaturated  and  saturated  fatty  acids,  less  content  of  proteins,  antioxidants  and  other  impurities.[8][9] 

Composition of Linseed oil

 

In general, the linseed oil consists of triacylglycerids with monocarboxylic acids such as palmitic  acids (6‐7%), stearic acids (3‐6%), oleic acid (14‐24%), linoleic acid (14‐19%), and linolenic acid  (48‐60%). [10] The percentage of fatty acids content depends on the climate where the seeds  have been planted. The region with a colder climate  tends to produce linseed oil  with higher  iodine  value  as  it  correlates  with  the  amount  of  unsaturated  fatty  acids.  Linseed  oil  which  is  produced in Sweden typically contains 60% linolenic acid and 15% of mixture between linoleic  and oleic acids. [11]  The fatty acids in linseed oil are two saturated fatty acids and three unsaturated fatty acids. The  saturated acids are palmitic with sixteen carbon (C16) and stearic acid (C18) while oleic, linoleic,  and linolenic acid belong to the unsaturated type. [10] These three unsaturated fatty acids have  a big contribution to the drying process of linseed oil. The structures of unsaturated fatty acids  in the linseed oil is presented in Figure 3 below.     Figure 3. Structure of unsaturated fatty acids in linseed oil [1] 

(9)

The oleic acid has one carbon double bond while linoleic and linolenic have two and three double  bonds, respectively. In linseed oil, the carbon double bond has a cis configuration (unconjugated)  which is formed at the ninth carbon atom in the fatty acid chains. [1]  Classification of Linseed Oil  The unsaturated fatty acids, primarily linoleic acids, are easily reacted with oxygen and form a  crosslink network. The crude oil can be processed in different ways to induce different properties  in the oil. The first one is raw oil which typically consist of crude linseed oil produced by cold  pressing without any further treatment. [9]  Treatment by heating the oil near the boiling point is called boiled oil, although the temperature  is  controlled  below  the  boiling  point. This  starts  a  process  of  oxidation  polymerization  of  the  triglycerides  forming  a  polymeric  network  that  increases  the  molecular  weight  of  the  binder.  Additives such as metallic driers are used to accelerate the pre‐polymerization. The colour of the  oil become darker than raw oil due to some production of unsaturated ketones. [9][12] 

The so‐called stand oil is processed by heat treatment of raw oil above 270 °C under inert gas for  a  few  days  to  induce  polymerization  of  the  double  bonds  without  oxidation.  The  process  increases  carbon‐carbon  bonds  instead  of  carbon‐oxygen  bonds  which  makes  the  oil  less  susceptible to chemical breakdown. It produces a network which has the highest viscosity of all  processed types of linseed oils. [1][13] The linseed stand oil also thickens the oil, improve the  gloss, and reduce the yellowing in the paint.  

2.2 The Drying Process of Linseed oil 

In industrial application, the oil dries, i.e. polymerize, due to the auto‐oxidation reaction when  the  oil  is  exposed  to  air.  The  high  content  of  polyunsaturated  fatty  acids  in  linseed  oil  is  susceptible  to  oxidation  reaction.  Linseed  oils  also  have  faster  oxidation  rate  than  other  vegetable oils, mainly due to high amount of linolenic acid. All the polyunsaturated fatty acids  are able to oxidize slowly at room temperature while the monosaturated fatty acids need a higher  temperature to be oxidized or with the presence of additives.[9] It has been reported that metal,  light, heat, and enzymes could also increase the oxidation rate. The drying oil will solidify during  film formation when crosslinking occurs in the double bonds of unsaturated fatty acids.[1]  The dry film is formed after the paint is successfully drawn onto the surface of a substrate. To  properly achieve good surface protection, there are some requirements of the dry film that need  to  be  fulfilled.  The  dry  film  should  have  good  mechanical  strength  in  terms  of  hardness,  toughness, flexibility, and durability.[14] It should be able to withstand high force without being  cracked  or  ruptured,  endure  the  abrasion,  and  bear  deformation  when  the  temperature  is  changing drastically.[15] These properties can be obtained through intermolecular crosslink in  the film or use polymer with high molecular weight as the binder.[14] Aside from hardness, the  dry film also needs to provide good flexibility, especially in wood coating. [15] At last, the dry film  must have high durability in terms of resisting the weathering effect. The function of the dry film  can be lost due to changes in modulus, loss of strength and adhesion, discoloration, loss of gloss, 

(10)

and  embrittlement.[15]  The  coating  is  vulnerable  to  the  presence  of  oxygen,  UV  light  and  moisture since it breaks the chemical bond of the polymer.[16]  

2.3 Linseed Oil as Paint 

The  linseed oil  paint  is  solvent‐free  and  consists  of  oil,  pigments,  filler, and  small  amounts  of  additives.  Pigments  and  extender  fillers  are  solid  materials  in  the  paint  media  which  provide  colour, hide the surface of substrates, and modify the films properties.[5] [17] In general, the  composition of the paint consists of binder, pigment, extenders, and additives.  Binder  The linseed oil binder provides bonding between the pigment particles and holds the particles to  the surface.[14] [16] It is also called a film former since it produces a thin film when the polymer  dries after application in the coating process. [14]   Pigment and Extender  The solid insoluble particles in the paint mixture are called pigments and extenders. The main  purpose of the pigment is to provide the colour and hiding power in the paint while the extender  usually an inert mineral that can improve the solid content of the paint without giving any colour.  [14] [16]The particle size and surface area contributes to the properties of the paint. The surface  area increases as the particle size decrease. Hence, the fine particles will obtain better hiding  power and good colouring effect. [16]  

In  general,  there  are  two  types  of  pigments:  inorganic  and  organic  pigments.  The  inorganic  pigment usually consists of an oxidized metal forming compounds such as titanium oxide which  provides white colour and hiding power. Others important type of inorganic pigments are iron  oxides  since  they  give  multiple  colorants,  such  as  yellow,  red,  brown,  and  black.  There  are  synthetic and natural iron oxides pigments. The natural iron oxides are found in the earth‐ground  such  as  ochre,  umber,  and  sienna.  Nowadays,  the  synthetic  one  is  extensively  used  in  paint  formulation since they provide consistent results while natural iron oxides vary in composition  and are difficult to process.[16]  The most important property of inorganic pigments is their colour stability towards breakdown  by the sunlight. In addition, iron oxide pigments can improve the mechanical strength of the dried  film and decrease the moisture permeation into the films.[18]  Another type of insoluble inorganic particles, mostly minerals, in the paint medium are extenders  or fillers. They are added since they increase the paint volume and are considerably cheaper than  pigment particles. The chemical groups which are common in extenders are carbonates, silicon  dioxides, silicates, and sulphates. [16]   

(11)

Liquids  

The liquid components in the paint are solvents, thinners and/or oils.[14] The solvent must be  able to disperse the binder without any chemical reaction. In linseed oil, the oil itself act as both  binder  and  solvent  since  its  viscosity  is  low  enough  to  give  the  paint  a  viscosity  suitable  for  application of the paint with a brush or a roller. In some situations, linseed oil is diluted with  hydrocarbon solvent to provide better penetration of the paint into porous substrates, but most  often the paint is made 100% with oil.  

Additives 

Additives are small quantities of chemical substances which put into the paint mixture to obtain  certain  properties  during  the  paint production or  to  the finished  product.  [5] Additives  which  needed  in  a  linseed  oil  paint  are  mostly  dispersing  agents,  driers,  rheological  additives,  and  fungicides (for outdoor paint).[16] In general, additives have the functions to improve important  characteristics in paints including surface activity, chemical stability, solubility, and application  properties.  However,  each  additive  may  have  multiple  functions,  both  with  a  positive  and  negative effect. For example, a thickener not only work as anti‐settling agent and increase the  viscosity  but  also  affect  the  gloss  of  the  coating  layer  and  counteract  surface  film  defects.  Dispersing  agents  can  also  interact  as  polymerization  catalyst  and  stabilizing  the  particles.[5]  Other  important  additives  are  driers  which  contain  metal  ions.  They  will  affect  the  drying  behaviour of oils and decrease drying time to form better‐polymerized films.[19] 

2.4 Processing of the Paint  

All the paint ingredients are mixed in a mill or pigment dissolver to produce the paint. The main  principles  are  dispersion  and  breakdown  of  the  pigment  particles  in  the  liquid  medium.  The  pigment dispersion process can be considered to occur in three steps: (1) Wetting of pigment  powders; (2) Separation of pigment particle agglomerates; (3) Stabilization of separated pigment  particles.  Wetting of Pigment Powders  The particles will be dispersed as a colloidal suspension into the paint’s mixture. The maximum  stability of the particles requires that the surface area of each particles is wetted with the wetting  agents or in this case the oil to replace moisture and air in the particle agglomerates.[14] This  process  is  called  pigment  wetting,  as  the  pigment/air  interface  is  replaced  by  pigment/paint  medium interface. The wetting of pigment particles depends on the pigment surface, the cavities  between agglomerate particles, and the property of the liquid medium.[5] The pigment wetting  involves the surface tension of the liquid phase, the free surface energies of the particles, and  interfacial  tension  between  the  particle  surface  and  liquid  phase.  It  is  also  influenced  by  the  viscosity of the liquid phase with the wetting becoming poor as the viscosity is increased.[20]   

(12)

Separation of pigment particle agglomerates 

After  the  wetting,  the  pigment  particle  agglomerates  need  to  be  broken  up  to  smaller  agglomerates or at best primary particles. It is achieved by addition of mechanical energy and  sufficient time to break up the agglomerates and physicochemical strategies to dissolve particle  necks which otherwise can hinder the break‐up of the agglomerates. The deagglomeration of the  pigment particles is carried out by grinding the pigments into the liquid medium.[5] The grinding  step is performed by using a mill or dissolver that produces high shearing motion to squeeze the  aggregates  of  particles  in  the  opposite  direction.[14]  The  mechanical  actions  will  reduce  the  particle size from the agglomerated state to non‐agglomerated state or primary particles.   Stabilization of separated pigment particles 

The freshly separated particles have a high tendency to re‐agglomerate and therefore need to be  stabilized by polymer chains in the liquid medium. Each particle of the pigment will be anchored  to polymer chains by intermolecular attraction. Moreover, the chain should also connect to the  liquid  medium.  It  separates  two  particles  by  putting  polymer  chains  in  between.[14]  In  the  dispersion process, the dispersant usually contains a polar group to attract the pigment surface  particles. The dispersant should also be able to interact with the solvent mixture.[5] 

2.5 Stabilization of the particles 

The stability of the particles in the paints is an important aspect, hence the dispersion stage of  the  pigment  into  the  paint  is  essential.  The  poor  quality  of  dispersion  generates  low  colour  strength, sedimentation, and separation of phases.[5] However, in the practical paint system, the  pigments particles are never dispersed completely and always contained coarse particles. The  coarseness of the particles is closely related to the energy which has been applied to the pigment  particles during dispersion and to the dispersion tactics in general such as when and how much  dispersants and wetting agents are added. [4]  The newly separated and dispersed particles will tend to re‐agglomerate due to attractive forces  between  the  particles.  The  re‐agglomeration  of  dispersed  pigments  particles  is  called  flocculation.  The  Brownian  movement  occurs  in  the  suspension  system  and  particles  move  around in the liquid phase.[20] Eventually, collision will occur between pigment particles in the  dispersed  system.[5] The  attractive and  repulsive  forces  between  the  particles  will determine  whether the particles remain stable  or if they will re‐agglomerate.[20] Therefore, a dispersing  agent is needed to maintain the dispersed particles in the deagglomerated state.[5] To separate  each particle in colloidal systems using water or polar solvents as the medium, it can rely on the  electrostatic charge of the particles.[20]   Steric Stabilization     The presence of polymer molecules will stop flocculation of particles as they adsorb onto the  pigment surface. Polymer molecules must be adsorbed onto one pigment particle only. As two  pigment particles covered with polymers approach each other the particles will separate when 

(13)

there become too much polymers in a limited space and the high concentration of polymer will  cause the particles to separate due to a high osmotic pressure. This type of stabilization is called  steric stabilization.[20][21] Higher concentration of polymer in the region between two particles  will be restored to equilibrium by diffusion of molecules at the osmotic pressure.[14]      Figure 4. Schematic illustration of polymer adsorption [20]     Homopolymer will adsorb first if they have low solubility in the liquid phase. Copolymers with  surface‐affinic  groups  may  adsorb  through  chemisorption  instead  of  physisorption  on  the  pigment surface. The simple mechanism of polymer adsorption is explained through a dissolved  linear homopolymer. Several monomers in the linear polymer will have contact with the pigment  surface (trains) and adsorption occurs. The rest of the monomers in the polymer molecules form  tails and loops sticking out from the surface into the solution (Figure 4). This is due to the nature  of  polymer  which  constantly  changes  their  conformations.  The  crosslink  polymer  has  more  restrained structure and less ability to have different conformations.[20] 

 

To  fully stabilize the particles, the  polymer molecules  need  to completely cover the particle’s  surface area and bind strongly during the adsorption. Therefore, the homopolymer has lower  steric ability than copolymer. In the homopolymer, the chains tend to have one interaction with  the pigment surface or molecules in the liquid phase, while copolymer can interact with both  sides.[5] The larger the particle surface area, the higher volume of adsorbed polymer and this  increase the repulsive energy between the particles.[20]  2.6 Metal soap formation in linseed oil   Metallic soap with the formula (RCO2)M is described as material that consist of metal with long‐ chain  carboxylates  forming  a  salt  with  the  positively  charged  metal  ion  and  the  negatively  charged carboxylic group on the fatty acid. The M in the formula is the metal ion, such as Zn, Cd,  Pb, Ba, Ca, Co, Cu, Al, and Fe while R is a branched or linear alkyl group.[22] It is a preferable  condition  since  the  presence  of  metal‐carboxylate  on  the  pigment  surface  decreases  the  interfacial energy between the pigment surface and the binding medium.[7] 

(14)

 Metal soaps have been found in the old oil paintings and cause deterioration of the paint surface.  In the case of oil paintings, the common heavy metal such as Zn, Pb, and Cu are typically used as  a  pigment.  Those  metal  ions  will  react  with  free  fatty  acids  in  the  oil  medium.  It  has  been  observed that lead (Pb) soap is frequently formed and create protrusion up to 200 microns that  may break the layered paint surface.[23] The zinc oxide is also typically used as a white pigment.  One study case showed that zinc oxide with linseed oil tend to have hard and brittle film after  several years. The pigments form metal soaps which induce hydrolysis of triglyceride in the fatty  acids content. This reaction is usually called saponification and it causes the paint surface to be  darker and brittle.[19]   The oil painting also has insufficient inter or intralayer adhesion as well as protrusion due to the  presence of zinc soap.[6] The zinc metal ion has been reported to adsorb polymer which contains  the carboxylic acid group, especially on the oxidized zinc surface. [7]                    Figure 5. Proposed mechanism of metal carboxylate in the pigment with binding medium[7]  It has been proposed that the mechanism of metal soap formation is through the migration of  metal ions to the binding medium (Figure 5). The mechanism explains the ability of metal ions to  diffuse  into  the  binding  medium  through  single  carboxylate  molecules  to  the  next  one.  This  mechanism occurs under the assumption that there is a presence of free saturated fatty acid in  the binding medium.[7] Other factors such as relative humidity which above 50% also promote  cleavage of fatty acid chains and generate high amounts of diacids.[6] The metal ions act as Lewis  acids or bases that locally encourage metal soap formation and accelerate hydrolysis reactions  in the fatty acid chains.[4]   

(15)

2.7 Methods of Analysis 

In  this  study,  advanced  chemical  instrumentations  are  used  to  identify  and  analyze  the  grain  formation on the linseed oil paint surface. The instruments are also widely used to detect the  presence of metal soap in oil paintings. To characterize the metal soap and deterioration in oil  paintings, a wide range of methods such as FTIR, SEM‐EDS, Raman spectroscopy, and GC‐MS are  commonly used.[23]  FTIR  Information about sample composition can be obtained from FTIR. The method of FTIR combine  with SEM manages to detect the degradation degree from the surface of the sample.[24] The  method  could  characterize  oxidation  products  in  the  drying  oils  and  help  to  understand  the  decomposition  of  hydroxy  peroxide  in  the  dried  linseed  oil  film.[25]  The  principle  of  infrared  spectroscopy is an analysis of sample’s chemical interaction through infrared light. The beam of  infrared light will be directed at the sample and the wavelength that adsorbed is equal to the  molecular  vibrations  of  the  molecules  in  the  sample.  Thus,  FTIR  will  provide  chemical  and  structural information based on those specific molecular vibrations.[26] It has been reported that  FTIR could detect localized carboxylate groups in the lead soap through a specific IR band in the  1510–50 cm−1 region while zinc soap is around 1585‐1530 cm−1.[27][7]  SEM‐EDS  The elemental analysis of the material could be performed by electrons microscope. The method  provides observation of the surface and cross‐section of the material such as iron powder.[28] It  produces  magnified  images  in  a  microscopic  scale  and  gives  information  related  to  the  size,  shape,  composition,  and  crystallography  of  the  material.  This  method  involves  emission  from  electron sources which create the focused beam of energetic electrons. The sample will interact  with  the  electrons  beam  and  produces  two  electrons:  backscattered  electron  and  secondary  electrons.  The  backscattered  electron  is  large  fraction  energy  of  beam  electrons  that  emerge  from the specimen after it is scattered and deflected by the atoms in the sample. On the other  hand, EDS or semiconductor energy dispersive X‐ray spectrometer is contained X‐Ray spectrum  with a specific energy that correspond to a specific element. The spectrum could identify and  quantify  the  elements  in  the  sample  except  H  and  He  since  it  does  not  emit  X‐Ray.[29]  The  combination  of  SEM  and  EDS  methods  has  been  used  to  provide  mineral  composition  from  archeology objects.[24] 

XPS 

Another surface analysis method is X‐Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). It is a highly surface  sensitives method to analyze the chemical composition from 2‐ 10 nm of the sample surface. The  depth  of  analysis  is  usually  lower  than  10  nm  for  metal  oxides.[30]  This  method  provides  quantification of atomic composition which is derived from the intensity of the peak. It usually  also  contains  hydrocarbon  as  a  contaminant;  thus,  relative  sensitivity  factor  (RSF)  is  usually  included to give suitable results of atomic % composition.[31] 

(16)

      Pyrolysis GC  The zinc soap in the paint sample can be detected by using pyrolysis GC‐MS. It has been reported  to identify a high level of oleic acid in a pigmented paint.[6] The pyrolysis GC‐MS analysis also  claimed  as  a  powerful  method  to  analyze  polymer  and  organic  matrix  such  as  protein,  polysaccharides, polymerized natural resin, and drying oil.[24] 

Profilometer 

Profilometry is widely used to observe and evaluate the metallic surface. It produces an image  with  surface  height.  The  basic  principle  of  profilometry  is  measures  the  surface roughness  by  using  a  probe  as  mechanical  contact  that  applies  across  the  surface.  The  probe  observes  the  contour of the surface with the axis of x and y resolution is around 5 μm and the z axis resolution  is 0.01 µm. This method is more suitable to analyze large area with a substantial slope on the  sample  surface.  It  also  provides  reproducibility  of  the  data  and  less  expensive  compare  to  microscopic techniques.[32]  

(17)

Chapter 3  

Materials and Methods 

3.1 Materials  

In  this  study,  all  ingredients  in  the  linseed  oil  paint  composition  such  as  the  oil,  iron  oxide  pigments,  dispersing  agents,  fillers,  anti‐fungicide,  and  the  drier  which  consist  of  cobalt(II)‐2‐ ethylhexanoat were obtained from Engwall o Claesson, AB. Several different dispersing agents  have been used in this project. They are referred as dispersing agent A, B, C, D, E, and F. The  contents of the dispersing agents are presented in Table 1 below.  

Table 1. The chemical substances of dispersing agents 

No  Dispersing Agent  Chemical Substance 

1  A  Solution of a polycarboxylic acid salt of polyamine amides  2  B  Block copolymer with basic, pigment‐affinic groups  3  C  Hydrotreated heavy naphtha  4  D  Polyether phospate  5  E  Neutralized amine  6  F  Polymeric dispersant    3.2 Experimental Methods  Paint Formulation and Processing  A 500 g batch of linseed oil paint was made by mixing all ingredients to a high‐speed dispenser,  Dispermat  CV.  The  ingredients  were  put  sequentially  according  to  the  standard  paint  formulation. The linseed oil was the first one to be added into the can, followed by the dispersing  agent.  During  this  process,  the  mixture  was  stirred  at  mixing  rate  of  300  rpm.  After  that,  the  pigment and filler were added, and all the substances were mixed in the grinding process at 2000  rpm for 20 min. A saw disc impeller was used to provide high shear force with diameter 5 cm and  the height of the blade was 0.5 cm. The paint mixture was cooled down after the grinding process  by stirring the mixture at 600 rpm for 20 mins. The other paint ingredients were added during  this  stage,  such  as  the  rest  of  the  linseed  oil,  the  cobalt  drier,  and  the  anti‐fungicide.  All  the  ingredients were weighed g on a laboratory balance, Mettler Toledo ML3002E.            

(18)

 Table 2. Chemical composition of the linseed oil paints [33]  Chemical Compounds  Amount ( wt %)  Raw linseed oil  20‐30  Stand linseed oil  10‐20  Iron(III) oxide   0‐25  Filler  0‐40  Zinc oxide  4‐7  Dispersing Agent *  <1  Anti‐fungicide*  < 0.3  Cobalt(II)‐2‐ethylhexanoat  <0.2  Additives*  <1.8  *Dispersing agent: Fatty acids, C18, unsatd., dimers, reaction products with N,N‐Dimethyl‐1,3‐propanediamine and  1,3 propanediamine  * Antifungicide: 4,5‐Dichloro‐2‐octyl‐isothiazolone, Iodopropynyl butylcarbamate  * Additives: Propylene glycol methyl ether, Zirconium salt (IV) 2‐ethylhexanoate   The Paint Film Process 

The  finished  paint  was  drawn  to  15  cm  x  10  cm  leneta  paper  surface.  The  film  was  made  by  standard film applicator Sheen 1107A with the thickness was set to 100 µm. The aging process of  the paint was observed by using 1‐month old aging of the paint samples and the film was made  with the same procedure. Before the old paint was drawn to the substrate, the paint had been  shaken by shaker, Corob TM at 600 rpm for 1 min.   Study the parameter in the Linseed Oil Paint Process  The influence of each parameter in the grain formation of linseed oil paints were determined by  varying the type of oil (raw, boiled, and stand oil), amount of drier (full and half recipe), and type  of dispersing agent. The mixing rate during the grinding process was also varied between 2000,  2600, and 3200 rpm as well as the grinding time which was varied from 10 up to 50 min. Each of  the linseed oil paints were prepared with the same procedure and followed the paint standard  formulation from the company.   3.3 Methods of Analysis  Linseed Oil Content  The linseed oil samples were analyzed by AAK Sweden AB. The samples differed by the variances  of raw, boiled, and stand linseed oil. The saturated and unsaturated fatty acid contents in the  three types of linseed oil were analyzed by standard method IUPAC 2.304. The peroxide value  was  measured  by  standard  method  AOCS  Cd  8b‐90(m)  while  the  iodine  value  was  analyzed  according to IUPAC 2.205. The amount of free fatty acid in the linseed oil sample was measured  by following IUPAC 2.201(m) standard method.  

(19)

SEM‐EDS  The analysis of powdered pigments, grains area, and the cross‐section on the paint’s film surface  was performed by SEM, SU3500 Hitachi Japan. The electron micrographs were taken by using  electron beam at 20 kV and backscattered electron detector (BSE).  In the Yellow 1 paint sample,  the grains area was analyzed by removing the coating on the grains surface and compare with  the grains area without coating removal and non‐grains area. The elemental composition of the  grains was measured through energy dispersive spectroscopy (EDS), Bruker Corporation USA. The  variable pressure mode was used as the operating method.   ATR‐FTIR  The Yellow 1 paint with boiled oil, Black paint with raw oil, Black paint with boiled oil, and pure  boiled  oil  film  were  investigated  by  FTIR  spectroscopy,  Varian  680‐IT  FTIR  spectrometer,  equipped  with  a  DTGS  detector.  The  system  was  operating  in  ATR  mode.  An  ATR  crystal  of  Diamond with ZnSe, having a contact area of 2 mm and a penetration depth of 2 µm, was used.  Background and sample spectra were scanned using a spectral resolution of 4000 – 650 cm‐1; 32  scans were collected.  Spectra were ATR and baseline corrected using  a Varian Resolution Pro  software.  All  the  samples  contains  cobalt(II)‐2‐etylhexanoat  and  varied  between  with  and  without DA‐A content. The reference of the spectra was using Epoxy bisphenol A‐ ESBO with gold  ion and all samples were plotted in absorbance unit (Abs) unit. 

XPS 

The grains area in the Black‐raw+stand oil 1‐month old was analyzed by XPS, Kratos AXIS Ultra  DLD,  United  Kingdom.  The  monochromatic  Al  were  used  as  the  X‐ray  source.  The  sample  measurement was performed below 1 mm2 with the signal was collected in the area around 700  x  300  μm.  The  atomic  percentages  of  the  samples  were  analyzed  in  a  wide  spectrum  and  quantified  from  the  curve  peak  of  each  element.  The  analysis  of  carbon  in  the  sample  were  performed through operating at high resolution. The carbon signals were shifted because of the  different functional group in the sample. The carbon peaks which shifted were adjusted with the  carbon at C‐C curve peak and used 285 eV as the reference value.   Profilometer   The grains surface area in the Black‐raw+stand oil 1‐month was analyzed with a stylus instrument,  DektakXT profiler, Bruker. The probe with a diamond tip was used with a radius of 2 mm while  the force on the tip was adjusted to 1 mg. The scan of the grains area was measured vertically  with the range was set to 524 mm and vertical resolution was controlled at 8 nm. In the line scan,  the length of scan was carried at 2 mm with time of measurement was addressed for 30s. The  same setting was used in the map measurement with the distance between the line scan in the  x axis was set to 2mm.       

(20)

   

Pyrolysis GC 

The analysis of organic composition on the film surface of the Yellow 1 paint were conducted by  using  pyrolysis‐gas  chromatography/mass  spectrometry  (Py‐GC/MS).  The  chromatogram  was  plotted against the retention time and the compound was injected into the capillary column. In  the  sample,  the  polar  compounds  such  as  acids  and  alcohol  were  derivatized  by  methylation  using tetramethyl ammonium hydroxide (TMAH). The peaks in the mass spectra were compared  with the National Institute of Standards and Technology (NIST) mass spectral library in order to  identify the compounds in the sample.  Viscometry  The viscosity measurement of the paint samples was performed by using Viscometer, Brookfield  DVE. The liquid paint sample was poured to a cup with the volume was around 200 mL.  The liquid  paint was measured at 50 rpm with shear rate was set to 0.5 s‐1. The viscosity was obtained in  centipoise unit (cP).                    

(21)

Chapter 4 

Results 

The biggest problem with grains development is in the representative recipe where the Yellow 1,  Black,  Yellow  2,  and  Red  pigments  are  used.  All  these  pigments  are  iron  oxide  powder  with  different  structures  and  atomic  composition.  The  Yellow  1  pigment  consists  of  FeO(OH)  with  gamma  crystal  modification,  while  the  Yellow  2  and  Black  pigments  have  a  composition  of  FeO(OH) and Fe3O4, respectively. The Red pigment also consists of Fe3O4 and other minerals such  as  CaCO3.  The  grains  were  formed  when  these  pigments  were  dispersed  with  the  linseed  oil.  Figure 6 shows the grain formation in all linseed oil paints samples.

 

 

Figure 6. The grain formation on paint’s film surface of (a) Yellow 1; (b) Red; (c) Yellow 2; and (d) Black 

4.1 Analysis of the Component in the Linseed oil Paint 

To evaluate the cause of the grains, it was crucial to know the chemical contents of the linseed  oil  and  the  pigments  itself.  In  this  study,  the  linseed  oil  and  the  pigments  were  further  investigated using advanced analytical instruments.  

   

(22)

4.1.1 Composition of fatty acid in the linseed oil 

The three linseed oil samples contain either raw, boiled, or stand oil that were used in the paint  formulation. In general, linseed oil has two saturated and three unsaturated fatty acids in their  structure. The two saturated fatty acids are palmitic acid (16:0) and stearic acid (18:0). On the  other hand, the unsaturated fatty acids consist of 18 carbon chains with different numbers of the  carbon  double  bonds  which  belong  to  oleic  acid  (18:1),  linoleic  acid  (18:2),  and  linolenic  acid  (18:3).[9] 

Table 3. Chemical composition of linseed oil in the paint formulation 

Compounds  Raw Oil wt %  Boiled oil wt %  Stand oil wt % 

C18:1  20.5  20.7  25.2 

C18:2  15.5  15.7  8.8 

C18:3  55.2  49.8  18.2 

Free fatty acid  0.76  1.2  3.0 

Peroxide value  5.8 meq/kg  5.6 meq/kg  13 meq/kg 

Iodine value  190  171  37 

Unknown  0.2  2.0  31.2 

Stand  oil  has  the  lowest  amount  of  unsaturated  fatty  acid.  This  is  because  the  stand  oil  is  produced by heating raw linseed oil up to 270°C which increases the polymeric network. On the  other hand, the boiled linseed oil was only heated under the boiling point, hence, the oil was  much less polymerized compare to the stand oil. With this follows that stand oil has the lowest  iodine value which is correlated to the degree of unsaturation.[34] Conversely, the peroxide value  of stand oil was the highest due to the highly polymerized network in the stand oil itself. The high  value of unknown compounds in the stand oil could be the effect of the pre‐treatment process.  The stand oil has been heated above its boiling point under inert and oxygen‐free atmosphere.[9]  Thus, the unsaturated fatty acid in the stand oil have been polymerized already which made the  large fraction molecules could not be detected by the analytical method.   4.2.1 Penetration level of the linseed oil in wood  The polymerization of fatty acid in linseed oil will impact the viscosity of the oil. The viscosity  becomes an important aspect since it affects how far into the wood porous system the oil can  penetrate. An increased contact area between the paint and the wood substrate will increase the  adhesion  between  the  substrate  and  the  coating.  Hence,  the  adhesion  would  be  varied  depending on the type of linseed oil. 

Linseed oil paint has commonly been used to preserve wooden surfaces. As a result, the oil’s  ability to penetrate the wood surface of the substrate has been checked in order to know how  viscosity affects the coating penetration into the wood. Figure 7 below presented the penetration  of each linseed oil type into the wood surface of the substrate. 

(23)

  Figure 7. Graph of oil penetration in wood substrates according to standard formulation   

The viscosity of the oils has also been measured. The raw oil has the lowest viscosity at 64 cP  while  boiled  and  stand  oil  are  around  152  and  2096  cP,  respectively.  According  to  the  oil  penetration result in Figure 7, it clearly shows that raw oil has the highest ability to penetrate a  wooden substrate. On the other hand, the stand oil itself has the lowest ability to penetrate the  wood  substrate.  This  was  due  to  the  difference  in  viscosity,  molecular  weight  and  cross‐link  density.    The  stand  oil  has  the  highest  molecular  weight  and  viscosity  due  to  post‐processing  treatment of the  oil. Therefore,  the raw oil has faster  diffusion through porous wood  species  since  it  has  the  lowest  viscosity  and  molecular  weight.  The  combination  of  raw  and  stand  oil  would  give  better  paint  properties  that  accommodate  the  adequate  viscosity  of  the  paint.  Therefore, in this study, the paint sample standard formulation also used the combination of raw  and stand oil as the binder. 

4.1.3 Analysis of pigments powders 

The pigments that cause the biggest problem with grain formation which are Yellow 1, Yellow 2,  Black,  or  Red  were  analyzed  for  morphology  and  atomic  composition  by  SEM‐EDS.  The  morphology of each pigment was represented in the Figure 8 below. 

The pigment samples were analyzed with 65 times magnification, except for Red pigment which  had 55 times magnification. It could be observed from the SEM image that all types of pigment  particles  are  polydisperse  and  agglomerated  in the  dry  state.  The SEM images  were  obtained  from dry pigment particles without being crushed in a mortar.  

   

   

(24)

                                          Figure 8. SEM analysis of pigments (a) Yellow 1; (b) Yellow 2; (c) Black; and (d) Red  It has been stated from the manufacturer that the Black pigment was micronized beforehand.  However, the SEM image could not observe the difference in morphology of micronized Black  pigment because of all the pigments particles were agglomerated in dry powdered state. On the  other  hand,  the  EDS  analysis  was  able  to  detect  the  atomic  percentage  of  the  pigment’s  composition and shown on Table 4 below. The analysis was performed with the samples were  crushed by using a mortar and the magnification was up to 300 times. 

Table 4. EDS result of powdered pigments sample 

No  Pigments  Atomic content (%) 

Si  Fe  Al  Mg  Ca  Mn  Ti 

1  Yellow 1  4.30  63.48  ‐  ‐  32.03  0.19  ‐  ‐  ‐  ‐  0.06 

2  Yellow 2  6.96  61.71  0.36  ‐  30.55  0.06  ‐  ‐  ‐  0.38  ‐ 

3  Black   8.68  53.19  ‐  1.01  34.93  0.27  0.29  ‐  0.84  0.79  ‐ 

4  Red   18.33  58.14  ‐  0.43  5.87  0.16  ‐  17.07  ‐  ‐  ‐ 

Iron (Fe) and oxygen (O) were the most abundant elements for all the pigments except the Red  one.  The  amount  of  oxygen  also  around  double  the  amount  of  iron.  This  result  supports  the  theory that all of the pigments mostly consist of iron oxide, except Red pigment which mostly  contains calcium carbonate (CaCO3). In the Red pigment, the amount of carbon and calcium is  equal while the ratio of oxygen was three times higher. This is the typical atomic composition of  CaCO3. Meanwhile, carbon (C) and silicon (Si) were found in the EDS results due to contamination 

b

(25)

from  the  method’s  preparation  and  laboratory  environment.[24]  In  the  case  of  Red  pigment,  higher carbon content was caused by calcium carbonate from the pigment composition.   4.2 Analysis of linseed oil paint with Yellow 1 pigment  It is important to study the dispersion process of the paint in order to know how the grains are  developed on the film surface. As a result, the experiments were started by producing the paint  according to the standard formula. The standard formula of the paint is made by grinding all the  composition  such  as  linseed  oil,  dispersing agent,  pigment,  and  filler.  Further, other  additives  were added after the grinding.  

It could be observed by using a microscope that indeed there was grains which protrude from  the  film  surface of  Yellow  1  sample.  The grains  that  appears  on  Yellow  1  sample  was  formed  immediately after the paint was applied to the Leneta paper substrate.    Figure 9. Micrograph of grain formation on Yellow 1 paint’s surface  4.2.1 The effect of linseed oil type in the grain formation  The first step to identify the factor which promoted the grain formation was to vary the linseed  oil type as the binder. The Yellow 1 paint samples were varied by using only raw, boiled, or stand  oil of each paint formulation. The other parameters were kept the same in the formula. The effect  of  difference  linseed  oil  type  towards  the  grain’s  development  could  be  observed  in  Table  5  below. The content of the Table included the observation of film surface appearance after the  paint has been newly made.   

Table 5. Effect of oil type to the grains in Yellow 1 paint samples 

No  Sample  Type of oil  Film’s Surface (fresh) 

1.  Yellow 1 standard  Raw + stand oil   Lot of grains 

2.  Yellow 1   Raw oil  Lot of grains, wrinkles 

3.  Yellow 1   Boiled oil  Lot of grains 

4.  Yellow 1   Stand oil  A very few amounts of grains 

Overall, all the different types of linseed oil in the Yellow 1 paint samples gave substantial grain  formation except the stand oil paint sample. The Yellow 1 paint sample with only stand oil has  low mobility since the paint was too viscous. Hence, the stand oil was not suitable as binder alone 

(26)

even though only a few amounts of grains appeared. Meanwhile, it can be seen that the raw and  boiled oil contributes more to the grain formation compared to the stand oil due to the significant  difference in the viscosity. 

4.2.2 The effect of metal driers in the grain formation 

The  metal  soap  formation  is known  to  exist  in  old  oil  paintings.[35]  Thus,  another  logical  parameter  to  vary  was  the  driers  concentration.  The  driers  which  consist  of  organometallic  compounds  could  be  the  source  of  metal  ions  in  the  metal  soap  formation.  In  this  paint  formulation, a complex of cobalt was used as drier. The cobalt drier amount was varied by using  full amount and half amount of the standard recipe. With this approach, it could be detected if  metal soaps were generated the grain formation by varying the amounts of cobalt drier in the  paint formulation.     Table 6. Effect of cobalt drier’s amount to grain formation in Yellow 1 paint samples. 

No  Sample  Amounts  of 

driers 

Film’s Surface  (fresh)  1  Yellow 1– Raw oil  Full recipe  Lot of grains  2  Yellow 1 – Raw oil  Half recipe  Lot of grains  3  Yellow 1 – Boiled oil  Full recipe  Lot of grains  4  Yellow 1– Boiled oil  Half recipe  Lot of grains 

The drier was added to paint formulation since it accelerates the air‐drying coating system. It  helps  the  transformation  of  the  liquid  paint  coating  into  a  solid  film  of  paint  in  the  adequate  length of time.[20] The effect of too much drier in the formulation can be observed if wrinkles  appear on the film surface. If the amount of cobalt drier were too much, it would only dry the  outermost part of the paint and the resultant film hinders oxygen to penetrate into the wet paint  underneath. However, if the amounts of driers were too little, it would slower the drying rate  and the film surface become tacky since it does not dry in adequate time.   Freshly made Yellow 1 paint samples have developed lots of grains despite the different amount  of cobalt drier in the formulation. The result did not indicate that the grains is related to metal  soap  formation  from  cobalt  ions.  Therefore,  it  was  speculated  that  another  parameter  has  greater  influence  regarding  grain  formation  in the  Yellow1  paint  rather  than  metal  soap  formation. 

4.2.3 The role of dispersing agent to the grain formation of Yellow 1 paint 

The dispersing agent is one of the additives in the paint formulation. The dispersing agent consists  of  polymer  with  high  affinity  for  the  pigment  surface  which  is  able  to  stabilize  the  inorganic  particles  in  the  medium  and  reduce  agglomeration.  It  also  helps  the  wetting  process  of  the  pigment  into  the  liquid  medium.  There  were  two  dispersing  agents  in  the  Yellow  1  paint  formulation, one was dispersing agent B (DA‐B) which was added during the grinding process and 

(27)

thickening  agent  which  was  added  during  the  final  stage  (let  down)  of  the  paint  formulation  process. The effect of DA‐A presence in the Yellow 1 paint was observed through the film surface  condition. 

Table 7. The effect of using DA‐A in the Yellow 1 paint samples 

No  Sample  Dispersing Agent  Viscosity (cP)  Film’s Surface 

(fresh) 

1  Yellow 1 – Raw oil  DA‐A + DA‐B  4600  Lot of grains 

2  Yellow 1 –Raw oil  DA‐B  2700  Lot of grains 

3  Yellow 1 – Boiled oil  DA‐A + DA‐B  3600  Lot of grains 

4  Yellow 1 – Boiled oil  DA‐B  1600  Lot of grains 

It could be observed that the sole effect of DA‐A in the Yellow 1 paint was thickening the paint  mixtures and increase the viscosity. Aside of that, there was no difference in the grain formation  by removing the  DA‐A compounds in the Yellow  1 formulation. This was since DA‐A  was only  acted as thickener and the role of dispersing agent was provided by the presence of DA‐B.   The dispersing agent was added to stabilize the particle and avoid re‐agglomeration. The initial  hypothesis  was  the  presence  of  grains  might  be  due  to  problem  in  the  particle’s  dispersion.   Therefore, the next experiment was made to observe the effect dispersing agents had on the  grain  formation.  This  was  performed  by  changing  the  chemical  composition  of  the  dispersing  agent. Hence, the other dispersing agents were labeled as dispersing agent C (DA‐C), dispersing  agent D (DA‐D), dispersing agent E (DA‐E), dispersing agent F (DA‐F). The chemical composition  of these dispersing agents was already discussed (Chapter 3). The grains on the film surface and  the viscosity of Yellow 1 paint were presented in Table 8 below. The Yellow 1 paint sample was  made according to the standard recipe which use the combination of raw and stand linseed oil  as the binder while other ingredients were kept the same except the dispersing agent.  Table 8. The effect of using dispersing agents with various chemical composition of Yellow 1 paint 

No  Sample  Dispersing 

Agent 

Viscosity  (cP) 

Film’s Surface  (fresh) 

1  Yellow 1 ‐ Raw + Stand oil  DA‐B  4000  Lot of grains 

2  Yellow 1 ‐ Raw + Stand oil  DA‐C  2100  Lot of grains 

3  Yellow 1 ‐ Raw + Stand oil  DA‐D  1900  Medium grains 

4  Yellow 1 ‐ Raw + Stand oil  DA‐E  1216  Few  amount  grains, 

craters 

5  Yellow 1 ‐ Raw + Stand oil  DA‐F  2160  Lot of grains 

 

The  difference  in  chemical  composition  of  the  dispersing  agents  influence  the  dispersion  and  stability of the particles. The most significant result is that few grains are formed in the Yellow 1 

(28)

paint with DA‐E. The result indicates that DA‐E improves the dispersion of particles. However,  the viscosity of the paint decreases significantly leading to formation of craters.  

It  was  found  in  the  standard  paint  formula  that  paints  containing  the  dispersing  agent  DA‐D  formed less grains compared to paints containing DA‐B. Further experiments were conducted by  producing  Yellow  1  paints  with  DA‐D  and  DA‐B  increasing  both  grinding  speed  and  time.  At  optimal conditions less grains were formed in paint formulations containing DA‐B compared to  DA‐D. Therefore, it can be claimed that DA‐B has better performance as dispersing agent than  DA‐D in the Yellow 1 paint formulation. 

4.2.4 The effect of grinding process to grain formation in Yellow 1 paint 

It  has  been  stated  that  the  dispersion  process  is  extremely  important since  it  determines  the  particle  size  and  distribution  in  the  liquid  medium  and  stabilization  state  of  the  particle.[5]  Without  a  good  dispersion  process,  a  poor  particle  deagglomeration  process  and/or  poorly  stabilized deagglomerated particles can lead to subsequent agglomeration of the particles in the  paint samples. Aside from dispersing agents, mechanical action such as shear forces is necessary  to mix paint’s composition and disperse the particles evenly. This force was obtained through  grinding the paint’s composition by using a pigment dissolver in a given length of time. In this  study, grinding condition of the Yellow 1 standard formula was stated at 2000 rpm for 20 minutes.  Thus, further experiments were performed by changing the grinding speed and time to obtain  the optimum conditions.     Grinding Speed  In this experiment, the grinding speed of Yellow 1 was varied between 2000, 2600, and 3200 rpm  in order to see the effect of grain formation on the film surface. The paint samples were made  with boiled linseed oil as well as a combination of raw and stand linseed oil as the binder. Other  paint compositions were kept the same as standard formula, except the amounts of cobalt driers  was cut into half of the standard recipe.   Table 9. The variation of grinding speed in Yellow 1 paint samples 

No  Sample  Grinding speed (rpm)  T (°C)  Film’s Surface (fresh) 

1  Yellow 1– Boiled Oil  2000  40  Lot of grains   2  Yellow 1 – Boiled Oil  2600  45  A few amounts of grains   2  Yellow 1– Boiled Oil  3200  50  A few amounts of grains   4  Yellow 1– Raw + stand oil   2000  62  Lots of grains  5  Yellow 1 – Raw + stand oil   2600  59  A few amounts of grains  Based on the observation data, the grain formation is less common with higher grinding speed in  the case of Yellow 1  samples. Thus, the dispersion process was  improved  with higher grinder  speed. This indicated that the grain formation was due to the poor dispersion process in Yellow  1 paint. There was also no significant difference between the grinding speed of 2600 rpm and 

(29)

3200 rpm regarding the partial pigment deagglomeration of Yellow 1 samples. It was concluded  that the grinding process has already reached optimum condition at 2600 rpm. 

Grinding time 

The  other  parameter  during  the  grinding  process  is  the  length  of  time.  The  Yellow  1  sample  showed good film’s surface with only a few amounts of grains by grinding the sample for 10 to  40  mins.  In  this  experiment,  the  period  of  grinding  has  been  conducted  with  raw  and  stand  linseed  oil  mixture  as  the  binder.  On  the  other  hand,  the  optimum  grinding  speed  has  been  determined  to  be  2600  rpm;  thus,  these  experiments  were  carried  at  this  optimum  grinding  speed.  

Table 10. The variation of grinding time in Yellow 1 paint samples 

No  Sample  Grinding time (min)  T (°C)  Film’s Surface 

1  Yellow 1– Raw + stand oil   10  42  Medium grains   2  Yellow 1 – Raw + stand oil   20  62  Few amounts of grains   2  Yellow 1– Raw + stand oil   30  66  Very few amounts of grains   4  Yellow 1– Raw + stand oil   40  70  Very few amounts of grains  Based on Table 10 above, the presence of grains of Yellow 1 paint samples have been decreased  with increasing of time during the grinding process. This trend reached optimum condition at 30  mins  grinding  time,  since  there  was  no  significant  difference  in  terms  of  grain  formation  for  Yellow  1  paint  in  30  and  40  mins,  respectively.  Hence,  the  optimum  grinding  process  was  achieved at 2600 rpm for 30 min length of time. Therefore, it can be stated the major cause of  the immediate grains in Yellow 1 was related to incomplete deagglomeration and stabilization of  the pigment particles.     Figure 10. Film surface of Yellow 1 paint (a) before grinding optimization (2000 rpm, 20 min) and (b)  after grinding optimization (2600 rpm, 30 min)  4.2.5 Analytical Results of Yellow 1 Paint 

The  immediate  grains  which  appears  on  the  Yellow  1  paint  samples  has  been  reduced  by  optimizing the grinding process. However, the grains content itself has remained unknown. Thus, 

(30)

analysis of the grains with advanced physico‐chemical instrumentation has been conducted in  the Yellow 1 paint.  Pyrolysis GC  The Yellow 1 paint with boiled linseed oil as the binder had been used as the pyrolysis GC sample.  Analyses was made of the dried paint film with samples taken from an area with grain and from  an area without grain. The chromatogram of the sample was presented as the retention time of  each pyrolysis compounds for both the grains area and outside the grains area of Yellow 1 paint.     Figure 11. Chromatogram of Yellow 1‐boiled oil paint   The grains and non‐grains area were mainly consisted of fatty acids (16:0, 18:1 and 18:0), oxidized  fatty acids, and degraded fatty acids (C8, C9 and C10 decanedioic acid). The smaller fragments of  fatty acids were generated from the long chains of fatty acids (C18) which had been degraded by  heating in the pyrolysis method.  It can be observed that there is no significant difference in the  fatty acid composition between the film surface with and without grains. Another possibility is  that free fatty acid composition in the sample was comparatively small compared to the total  amount of polymerized fatty acid chains. Hence, it would be hard to detect if there were free  fatty acid which correlated to the metal soap formation.   FTIR  Another analytical approach to evaluate the grains content is through FTIR which could indicate  the metal carboxylate peak of an eventual metal soap formation. The Yellow 1 paint with boiled 

References

Related documents

This kind of variables also reduces the size of the dataset so that the measure points of the final dataset used to train and validate the model consists of one sample of

The last result states that if the formation graph contains cycles, then we can not design a control law of the form (4) that stabilizes the agents to the desired relative

case is initiated when providers and customers initially draw on incongruent procedures, understandings, and engagements causing value co-destruction but, during

På paletten finns det en knapp och vippa för hydraluttag 2 och om det skulle uppstå platsbrist för knapparna på paletten skulle denna fråga visa om den funktionen var nödvändig

The methodology thereby supports the product development process by bridging the gap between the functional knowledge used to design a product and its related

The present study uses corpus methods to investigate the frequencies of the most prevalent amplifiers used in American English by using a variationist perspective to

The specific objectives were to (1) study the growth of algae in different ratios of lake water and waste water, the retention of heavy metals and nutrients throughout the

knowledge about the conditions under which a diversified/concentrated political identity is most likely to result in ex-militaries placing themselves above politics and