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Modification of Surface Roughness by Various Varnishes and Effect on Light Reflection

2010; Taylor & Francis; Volume: 55; Issue: 2 Linguagem: Inglês

10.1179/sic.2010.55.2.134

2047-0584

E. René de la Rie, John K. Delaney, Kathryn M. Morales, Christopher A. Maines, Li‐Piin Sung,

Optical measurement and interference techniques

AbstractThe modification of microscopically rough surfaces by commonly used varnishes and resultant changes in light reflection from these surfaces were studied using laser scanning confocal microscopy, stylus profilometry and specular gloss and distinctness-of-image gloss measurements. Natural resins as well as synthetic low molecular weight and polymeric resins were studied. The molecular weights of the resins were determined using size-exclusion chromatography. All the low molecular weight resins, with weight-average molecular weights in the range 800–6500, including the natural resins, essentially produced smooth surfaces and eliminated high-frequency as well as low-frequency roughness, while polymeric resins, with weight-average molecular weights between about 25000 and 210000, produced rougher surfaces, eliminating high-frequency roughness but not all low-frequency roughness. The spatial frequency range of the roughness of the polymeric coatings decreased with increasing molecular weight. As a result, low molecular weight varnishes reduced small-angle scattering about the specular reflection to a greater extent than the polymeric coatings. Polymeric varnishes, therefore, demonstrated lower specular gloss and, in particular, lower distinctness-of-image gloss. Distinctness-of-image gloss values showed good correlation with the weight-average molecular weights of the resins. The power spectral density of the surfaces coated with low molecular weight resins showed a sharper falloff at low spatial frequencies than the polymeric resins.The modification of microscopically rough surfaces by commonly used varnishes and resultant changes in light reflection from these surfaces were studied using laser scanning confocal microscopy, stylus profilometry and specular gloss and distinctness-of-image gloss measurements. Natural resins as well as synthetic low molecular weight and polymeric resins were studied. The molecular weights of the resins were determined using size-exclusion chromatography. All the low molecular weight resins, with weight-average molecular weights in the range 800–6500, including the natural resins, essentially produced smooth surfaces and eliminated high-frequency as well as low-frequency roughness, while polymeric resins, with weight-average molecular weights between about 25000 and 210000, produced rougher surfaces, eliminating high-frequency roughness but not all low-frequency roughness. The spatial frequency range of the roughness of the polymeric coatings decreased with increasing molecular weight. As a result, low molecular weight varnishes reduced small-angle scattering about the specular reflection to a greater extent than the polymeric coatings. Polymeric varnishes, therefore, demonstrated lower specular gloss and, in particular, lower distinctness-of-image gloss. Distinctness-of-image gloss values showed good correlation with the weight-average molecular weights of the resins. The power spectral density of the surfaces coated with low molecular weight resins showed a sharper falloff at low spatial frequencies than the polymeric resins.La modification des surfaces rugueuses à l'échelle microscopique par les vernis communément utilisés et les changements de réflexion qui en résultent pour ces surfaces ont été étudiés par microscopie confocale à balayage laser, par profilométrie au stylet, par mesure de la réflexion spéculaire et de la netteté d'image. Les poids moléculaires des résines ont été déterminés par chromatographie d'exclusion stérique (SEC). Toutes les résines à bas poids moléculaire (PM), situées dans une fourchette de 500–6500, y compris les résines naturelles, produisent principalement des surfaces lisses et éliminent les rugosités de hautes et de basses fréquences, tandis que les résines polymères, avec un P. M. autour de 21000 – 25000 produisent des surfaces rugueuses éliminant les hautes fréquences mais pas toutes les basses fréquences de rugosité. La fréquence spatiale de rugosité des revêtements polymères décroît avec l'augmentation du PM. En conséquence, les vernis à bas poids moléculaires réduisent la dispersion pour les petits angles relative à la réflexion spéculaire de façon plus importante que les revêtements polymère. Les vernis polymères font preuve en conséquence d'une réflexion spéculaire plus faible et, en particulier, d'une plus faible netteté d'image. Les valeurs de netteté d'image montrent une bonne corrélation avec les valeurs de PM moyen des résines. La densité du spectre énergétique des surfaces ayant des revêtements à bas PM montrent une chute plus aigue aux basses fréquences spatiales que les résines polymères.Die Modifikation mikroskopisch rauer Oberflächen mit gewöhnlichen Firnissen und die resultierenden Veränderung der Lichtreflexion wurden mit Hilfe von konfokaler Laserscanning Mikroskopie, Stylus – Profilometrie durchgeführt sowie der Spiegelglanz und Deutlichkeit des Bildglanzes gemessen. Natürliche Harze wie auch synthetische niedermolekulare und polymere Harze wurden untersucht. Die Molekulargewichte der Harze wurden mit Größenausschluss-Chromatographie bestimmt. Alle niedermolekularen Harze mit durchschnittlichen Molekulargewichten zwischen 800 und 6500, auch die natürlichen Verbindungen, produzierten glatte Oberflächen und eliminierten sowohl langreichweitige wie auch kurzeichweitige Oberflächenrauigkeit. Polymere Harze mit Molmassen zwischen 25000 und 210000 produzierten hingegen rauere Oberflächen und eliminierten die langreichweitige Oberflächenrauhigkeit, nicht aber die kurzeichweitige Oberflächenrauhigkeit hinreichend. Die spatiale Reichweite der Rauhigkeit der polymeren Überzüge nahm mit zunehmender Molekülmasse ab. Daher reduzieren niedermolekulare Firnisse die Streuung unter niedrigen Streuwinkeln in einem größerem Maße als polymere Überzüge. Polymere Überzüge haben daher einen niedrigeren Spiegelglanz, und die Deutlichkeit des Bildglanzes ist deutlich geringer. Die Stärke der spektralen Dichte der mit niedermolekularen Harzen überzogenen Oberflächen zeigte einen schärferen Abfall bei geringen spatialen Frequenzen als die polymeren Harze.La modificación de superficies microscópicamente rugosas mediante barnices comúnmente usados y los cambios de reflexión de la luz resultantes fueron estudiados utilizando microscopía confocal por barrido de láser, profilometría de aguja y mediciones de brillo especular y brillo distintivo-de-imagen. Se estudiaron tanto resinas naturales como resinas poliméricas y sintéticas de bajo peso molecular. Los pesos moleculares de las resinas se determinaron usando cromatografía por exclusión de tamaño. Todas las resinas de bajo peso molecular, con una media entre 800 y 6500, incluyendo resinas naturales, produjeron superficies suaves y uniformes y eliminaron las rugosidades tanto de alta como de baja frecuencia, mientras que las resinas poliméricas de entre 25000 y 210000 produjeron superficies más ásperas, eliminando las rugosidades de alta frecuencia pero no todas las de baja frecuencia. Los rangos de frecuencia espacial de la rugosidad de las capas de recubrimiento poliméricas decrecían con el aumento del peso molecular. Como resultado, los barnices de bajo peso molecular reducían la dispersión de la luz de bajo ángulo cerca de la reflexión especular en un grado mayor que las coberturas poliméricas. Los barnices poliméricos, sin embargo, mostraron menor brillo especular y, especialmente, menor brillo distintivo-de-imagen. Los valores del brillo distintivo-de-imagen mostraron una buena correlación con los promedios del peso molecular de las resinas. La potencia de la densidad espectral de las superficies recubiertas con barnices de bajo peso molecular mostraron una caída más marcada en las frecuencias bajas que las resinas poliméricas.