摘要:油墨涂料的配方組成,決定了產(chǎn)品的流動(dòng)特性,施工工藝和產(chǎn)品穩定性,影響終產(chǎn)品的貨架期,施工特性以及未來(lái)市場(chǎng)上的商業(yè)聲譽(yù)。運用HAAKE流變儀和LUM穩定新分析儀對配方的流動(dòng)行為,分散行為進(jìn)行表征,可以充分研究油墨涂料的觸變行為,流動(dòng)行為,屈服行為,拉伸特性,固化行為,分散特征和體系穩定性,為產(chǎn)品的配方優(yōu)化,施工特性和產(chǎn)品貨架期提供更有力的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:油墨涂料、流動(dòng)性、穩定性、HAAKE流變儀、LUM穩定性分析儀
油漆和涂料是各種成分的復雜混合物,如顏料、粘合劑、溶劑以及消泡劑、固化劑和分散劑等添加劑。每種成分或添加劑在決定油漆整體質(zhì)量方面都有特定的的作用。這些成分或者添加劑決定了油漆的附著(zhù)力,流平,強度,光澤,穩定性,粒度,耐久性,抗沖擊性等性能。油漆被認為是高度分散的體系,通常顯示復雜的流動(dòng)行為。
在整個(gè)貨架期內,油漆需要耐受不同的剪切速率和剪切環(huán)境。在儲存和運輸時(shí),油漆將經(jīng)歷低水平的剪切(小于1s-1),同時(shí)為了防止相分離,配方需要顯示高或者固體般的粘度和大的屈服應力數值。在加工過(guò)程中,泵送、混合和輸送又需要配方顯示合適的中高剪切速率下的剪切粘度(10~10001s-1)。后,在施工過(guò)程中,刷牙、滾壓、噴涂,油漆將受到高剪切速率的影響(大于100s-1),預期其表現為低粘度,自由流動(dòng)的液體。此時(shí),簡(jiǎn)單的單點(diǎn)粘度測量,無(wú)法*捕獲描述的復雜流動(dòng)行為。因此,需要使用一臺HAAKE哈克流變儀來(lái)表征配方的整體性能。
油墨是一個(gè)典型的分散體,穩定性與配方的優(yōu)化,工藝調整,產(chǎn)品貨架期密切相關(guān)。依據ISO/TR13097穩定性表征指導原則,需要對分散體系的相分離,凝聚,絮凝,上浮,沉降,聚并,變稠,纏繞,滲出等不穩定行為進(jìn)行測量。利用LUM*的STEP技術(shù),可以實(shí)現配方體系的失穩過(guò)程研究,穩定性分析,界面遷移速度,保質(zhì)期預測,終對產(chǎn)品的配方體系,質(zhì)量一致性和貨架期提供科學(xué)的數據支持。
因此,哈克流變儀和LUM穩定性分析儀,是一對物性表征手段完美的組合。作為兩家儀器制造商,為油墨涂料行業(yè)提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)咨詢(xún)和持續的技術(shù)服務(wù)。
一 哈克流變儀在油墨行業(yè)的應用
流變學(xué)是針對物體的流動(dòng)和變形所展開(kāi)的研究科目。對于油漆、涂料及油墨來(lái)說(shuō),流變性能對其研發(fā)、生產(chǎn)及應用具有重要的指導意義。例如,油漆具備良好的剪切變稀性能可以使得涂刷更方便;涂料具有一定的屈服應力則可以保證其在涂刷之后不會(huì )產(chǎn)生流掛現象;彈性和粘性的特性則會(huì )極大的影響涂料滾刷和噴塑的工藝;墨水具有良好的觸變性則可以使中性筆發(fā)揮出良好的書(shū)寫(xiě)性能;無(wú)溶劑粉末涂料通過(guò)UV紫外線(xiàn)照射可實(shí)現快速、節能的交聯(lián)方法等等。哈克旋轉流變儀\粘度計配合各種附件可以提供給客戶(hù)完備的涂料油墨行業(yè)流變性能解決方案。
1.1流動(dòng)(粘度)曲線(xiàn)
通過(guò)哈克旋轉流變儀\粘度計,可以方便快捷的測定樣品的流動(dòng)(粘度)曲線(xiàn),以表征剪切速率對樣品粘度的影響,幫助客戶(hù)分析樣品在不同應用工藝下的流變性能。如下圖所示,樣品在低剪切速率下具備高粘度可以保證其在儲存和運輸過(guò)程中不發(fā)生沉降,在高剪切速率下具備良好的剪切變稀性能則可以更容易的涂刷。
圖1剪切速率對剪切粘度的影響
1.2屈服應力
屈服應力對于涂料油墨具有十分重要的應用意義。如圖2所示,沒(méi)有屈服應力的涂料非常容易產(chǎn)生流掛現象,在實(shí)際應用中的表現就是墻面涂刷后容易產(chǎn)生厚度不均的情況,而具有屈服應力的樣品則可以有效地防止流掛現象的發(fā)生。對于中性筆芯中的油墨來(lái)講,屈服應力太大不易書(shū)寫(xiě),太小則會(huì )導致漏墨。通過(guò)哈克旋轉流變儀可以使用控制應力的模式來(lái)準確的測量樣品的屈服應力(圖3)。
圖2有無(wú)屈服應力的差別
圖3屈服應力測試
1.3觸變性
觸變性是表征樣品由于剪切作用造成粘度降低的自行恢復能力。通過(guò)測量觸變性,我們可以了解樣品的流平性、實(shí)際應用和加工情況。例如,用戶(hù)總是希望油漆的涂刷非常流暢,涂刷完畢后又希望其快速恢復,避免漆膜松垮。通過(guò)哈克旋轉流變儀既可以通過(guò)測量油漆觸變環(huán)的面積來(lái)表征其觸變性的大?。▓D4),又可以通過(guò)小幅振蕩-高速剪切-小幅振蕩的模式來(lái)測量其恢復時(shí)間(或一定時(shí)間后的恢復程度),如下圖5所示。
圖4觸變環(huán)測量方法及曲線(xiàn)
圖5三段式觸變性測量方法及曲線(xiàn)
1.4粘彈性
粘彈性是流體的粘性及彈性的綜合性質(zhì)。對于涂料油墨來(lái)講,其彈性模量G'和粘性模量G"的大小或者轉變規律則會(huì )對其的配方研究和應用性能產(chǎn)生非常大的影響。哈克旋轉流變儀可以通過(guò)應力掃描、頻率掃描、溫度掃描或者時(shí)間掃描或者蠕變-恢復等模式來(lái)方便、準確的測量樣品的粘彈性。如圖6所示,應力掃描模式可以確定樣品的線(xiàn)性粘彈區,頻率掃描模式可以表征樣品粘彈性模量的大小,蠕變-恢復模式則可以給出樣品的零剪切粘度、屈服應力、粘性\彈性的比率等重要信息。
圖6粘彈性測試的應力掃描和頻率掃描
1.5固化性能
哈克流變儀配備UV紫外光源或者輻射對流爐CTC,可以幫助客戶(hù)方便的研究樣品的固化過(guò)程,采用Rheonaut紅外-流變聯(lián)用模塊還可以幫助客戶(hù)在分子層面上分析樣品固化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)變化。
圖7油墨涂料的固化行為表征
1.6拉伸行為測量
流體的拉伸性能對油漆、涂料及油墨工業(yè)有著(zhù)重要的研究?jì)r(jià)值,例如涂敷流動(dòng)、特殊印刷工藝、壓縮流動(dòng)等。同剪切流動(dòng)相比,許多樣品的拉伸流動(dòng)會(huì )顯示不同的反應,哈克CaBER1 拉伸流變儀可以幫助客戶(hù)分析流體細絲的細化和斷裂,用于檢測懸浮液、乳狀液、粘合劑等樣品且操作簡(jiǎn)便。CaBER1 既可以用于分析測試,也可以用于質(zhì)量控制。
圖8拉伸流變研究
1.7油墨行業(yè)哈克流變儀配置推薦
1.7.1質(zhì)量控制\生產(chǎn)或技術(shù)支持部門(mén)
HAAKEViscotester IQ/Air 智能流變儀主機+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控
選配:25mm尺寸同軸圓筒溫控
1.7.2研發(fā)部門(mén)
HAAKEMars IQ/Air 高級旋轉流變儀或者M(jìn)ARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控+平椎板測量系統
選配:根據研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉子
1.7.3研發(fā)或者紫外固化
MARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控+平椎板測量系統
選配:根據研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉子
紫外固化單元
NicoletIS50紅外光譜儀
二、LUM穩定性分析儀在油墨行業(yè)的應用
LUM系列穩定性分析儀擁有STEP技術(shù)—空間和時(shí)間透光率掃描技術(shù)。相比于傳統的消光/透光率檢測方法在單次只能讀取樣品某個(gè)點(diǎn)位置的消光/透光率信息,STEP技術(shù)可以單次就記錄下整個(gè)樣品管所有位置的消光/透光率信息。LUM有靜置和離心加速兩個(gè)系列的穩定性分析儀,可在樣品靜置或離心加速的同時(shí),設置任意時(shí)間長(cháng)度的掃描間隔(低可每秒鐘掃描一次)對樣品進(jìn)行透光率變化的檢測,由此可以實(shí)現樣品任意位置透光率隨時(shí)間變化的記錄。通過(guò)每個(gè)樣品*的透光率指紋圖譜,可以對樣品的分離行為和過(guò)程分析,得到樣品的不穩定性指數,界面遷移速度,顆粒速度和分布,粒度和分布等定量分析。這些定性和定量的結果非常適合油墨,涂料等分散體的穩定性表征,終實(shí)現指導新產(chǎn)品設計,現有產(chǎn)品的優(yōu)化,生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制及產(chǎn)品保質(zhì)期/貨架期預測等任務(wù)。
圖9STEP技術(shù)
此外,LUM系列穩定性分析儀可以實(shí)現多樣品測試,多可以同時(shí)測試12個(gè)樣品。并且有溫度控制模塊,4-60℃的溫控范圍可以滿(mǎn)足穩定性測試的常規溫度條件。
2.1分散體狀態(tài)變化的機理
分散體的穩定性取決于諸多相關(guān)的物理,物理化學(xué)及化學(xué)參數,因此其性質(zhì)是復雜的。穩定性會(huì )受如下因素的影響:
以上種種因素(包括但不限于)的影響,都會(huì )讓一個(gè)分散體的狀態(tài)出現上浮,沉降,團聚,聚并,奧斯特瓦爾德成熟,,相反轉等各種變化。LUM穩定性分析儀正是基于對這些失穩過(guò)程的追蹤測量,實(shí)現對不穩定性的定量檢測。
圖10分散體狀態(tài)的改變
2.2分離行為和過(guò)程分析
本例中,比較同一個(gè)涂料樣品在不同溫度條件下沉降行為的不同。
圖11溫度對沉降行為的影響
當樣品在25℃時(shí),出現區域沉降,即整體沉降的過(guò)程;而樣品在45℃時(shí),出現多分散沉降,即顆粒按照不同速度沉降的過(guò)程。結合樣品本身的屬性,可以推測在25℃時(shí),該樣品的網(wǎng)狀結構較好地承托了顆粒;而在45℃時(shí),網(wǎng)狀結構崩塌,顆粒沒(méi)有被很好地包裹在結構中,因此更不穩定。
2.3穩定性比較
A.本例中,對3款油墨樣品的沉降圖譜進(jìn)行展示,并做不穩定數值的定量比較
藍色水性油墨
紅色水性油墨
紅色溶劑型油墨
圖123個(gè)油墨樣品的圖譜和樣品管對比
圖133個(gè)油墨樣品的不穩定性指數
從透光率圖譜來(lái)看,透光率變化的劇烈程度從大到小依次是11A-紅色溶劑型油墨>2A-藍色水性油墨>10A-紅色水性油墨;從不穩定性指數排名來(lái)看,從不穩定到穩定的樣品依次是11A-紅色溶劑型油墨>2A-藍色水性油墨>10A-紅色水性油墨。
相對于傳統靜置觀(guān)察時(shí)間慢,又無(wú)法定量比較的方法,LUM穩定性分析儀可以在很短的時(shí)間內即可對樣品進(jìn)行快速的穩定性排名。
B.本例中,比較3款木材防腐劑涂料的不穩定性指數隨時(shí)間的變化
圖143個(gè)木材防腐劑涂料的不穩定性數值隨時(shí)間的變化
LUM不僅可以給出不穩定性數值,還能給出不穩定性數值隨時(shí)間的變化。一方面在實(shí)驗初期就可以短時(shí)間內衡量穩定性,另一方面又可避免樣品在前期穩定而在長(cháng)期存放過(guò)程中失穩的風(fēng)險。
2.4界面分層速度和界面位置的追蹤
A.本例中,比較含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的界面沉降行為
圖15-1含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的界面沉降位置隨時(shí)間的變化及界面沉降速度
圖15-2含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的沉降層厚度
LUM穩定性分析儀可以對分散體進(jìn)行詳細的界面追蹤,可實(shí)現對懸浮液的沉降,乳液的上浮,懸浮乳液等復雜分散體的分離和失穩進(jìn)行表征。
B.本例中,比較攪拌和球磨2種不同分散法對涂料穩定性的影響
圖16同一樣品在不同分散條件下的圖譜差異以及界面沉降速度
從透光率圖譜的變化來(lái)看,兩個(gè)樣品均是區域沉降的過(guò)程。其中普通攪拌分散的色漿,其譜線(xiàn)的間距在實(shí)驗初期就變得較寬,說(shuō)明沉降較快;后期譜線(xiàn)的間隙變密,出現了沉降壓縮。從兩個(gè)樣品界面沉降的速度比較,球磨分散后的樣品沉降速度更慢一些。
2.5平均透光率
本例中,比較2個(gè)透明水性涂料的平均透光率差異
圖172個(gè)透明水性涂料的平均透光率差異
LUM采用的STEP技術(shù),即空間和時(shí)間透光率掃描技術(shù),可以給出某個(gè)任意時(shí)刻樣品所有位置的平均透光率信息。一方面,樣品的平均透光率可以比較濁度/透明度,濃度差異;另一方面平均透光率隨時(shí)間變化慢的樣品,其穩定性也較好。
2.6顆粒表征
本例中,比較3個(gè)涂料樣品中顏料顆粒的沉降速度和分布
圖183款有機顏料的速度分布
LUM系列中的的LUMiSizer型號,采用光照離心沉降的粒度測試方法,還可以在不需要提供任何材料參數的情況下,給出顆粒的遷移速度和速度分布。
B本例中,比較含不同添加劑原料的陶瓷墨水的粒度和分布
圖19粒度分布和中值粒徑
LUM系列中的的LUMiSizer型號,采用光照離心沉降的粒度測試方法,在已知參數的情況下還可以給出顆粒的粒徑和分布。
三、總結
在我做流變儀的推廣和銷(xiāo)售過(guò)程中,也常常會(huì )遇到客戶(hù)咨詢(xún)穩定性分析的問(wèn)題,比如運輸和儲存的時(shí)候,漿料或者乳液的穩定性怎么表征。根據ISO/TR13097穩定性表征指導原則,流變儀提供的數據,比如零剪切粘度,屈服應力,小形變條件下的彈性模量,這些數據可以間接的表達配方體系的穩定性,而且與LUM穩定性分析儀得到的相對比較結果一致。但是,專(zhuān)業(yè)的人干專(zhuān)業(yè)的事,專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題還需要交由專(zhuān)業(yè)的設備,穩定性分析,很顯然,LUM更勝任。
流變儀在解決剪切場(chǎng)條件下的配方優(yōu)化,組分兼容性,儲存運輸穩定性,施工工藝,固化相變追蹤,觸變性等方便,具有*的優(yōu)勢。在解決產(chǎn)品流動(dòng)性,形變控制上,得到的數據可以為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā),生產(chǎn)制造,質(zhì)量控制和科學(xué)研究,提供全面的技術(shù)支持。
穩定性分析儀在相對穩定的體系里,尋找不穩定性,從而評估相分離,沉降,分層,上浮,相變等各類(lèi)不穩定現象,從而為產(chǎn)品的研發(fā),來(lái)充分展示產(chǎn)品在穩定性上的優(yōu)勢,對產(chǎn)品的質(zhì)量,貨架期提供多角度的評估判定。
作為流變儀的制造商哈克和穩定性分析儀的制造商LUM,從不同角度展示了材料表征組合的*魅力。這一對產(chǎn)品,終將為材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步貢獻屬于自己的重要力量。
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