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HAAKE流变仪和LUM稳定性分析仪在油墨涂料行业的应用

发布日期: 2020-06-18
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摘要:油墨涂料的配方组成,决定了产品的流动特性,施工工艺和产品稳定性,影响最终产品的货架期,施工特性以及未来市场上的商业声誉。运用HAAKE流变仪和LUM稳定新分析仪对配方的流动行为,分散行为进行表征,可以充分研究油墨涂料的触变行为,流动行为,屈服行为,拉伸特性,固化行为,分散特征和体系稳定性,为产品的配方优化,施工特性和产品货架期提供更有力的技术支撑。

 

关键词:油墨涂料、流动性、稳定性、HAAKE流变仪、LUM稳定性分析仪

 

油漆和涂料是各种成分的复杂混合物,如颜料、粘合剂、溶剂以及消泡剂、固化剂和分散剂等添加剂。每种成分或添加剂在决定油漆整体质量方面都有特定的的作用。这些成分或者添加剂决定了油漆的附着力,流平,强度,光泽,稳定性,粒度,耐久性,抗冲击性等性能。油漆被认为是高度分散的体系,通常显示复杂的流动行为。

在整个货架期内,油漆需要耐受不同的剪切速率和剪切环境。在储存和运输时,油漆将经历低水平的剪切(小于1s-1),同时为了防止相分离,配方需要显示高或者固体般的粘度和大的屈服应力数值。在加工过程中,泵送、混合和输送又需要配方显示合适的中高剪切速率下的剪切粘度(10~10001s-1)。最后,在施工过程中,刷牙、滚压、喷涂,油漆将受到高剪切速率的影响(大于100s-1),预期其表现为低粘度,自由流动的液体。此时,简单的单点粘度测量,无法完全捕获描述的复杂流动行为。因此,需要使用一台HAAKE哈克流变仪来表征配方的整体性能。

 

油墨是一个典型的分散体,稳定性与配方的优化,工艺调整,产品货架期密切相关。依据ISO/TR13097稳定性表征指导原则,需要对分散体系的相分离,凝聚,絮凝,上浮,沉降,聚并,变稠,缠绕,渗出等不稳定行为进行测量。利用LUM独特的STEP技术,可以实现配方体系的失稳过程研究,稳定性分析,界面迁移速度,保质期预测,最终对产品的配方体系,质量一致性和货架期提供科学的数据支持。

 

因此,哈克流变仪和LUM稳定性分析仪,是一对物性表征手段完美的组合。作为两家仪器制造商,为油墨涂料行业提供专业的技术咨询和持续的技术服务。

 

一 哈克流变仪在油墨行业的应用

 

流变学是针对物体的流动和变形所展开的研究科目。对于油漆、涂料及油墨来说,流变性能对其研发、生产及应用具有重要的指导意义。例如,油漆具备良好的剪切变稀性能可以使得涂刷更方便;涂料具有一定的屈服应力则可以保证其在涂刷之后不会产生流挂现象;弹性和粘性的特性则会极大的影响涂料滚刷和喷塑的工艺;墨水具有良好的触变性则可以使中性笔发挥出良好的书写性能;无溶剂粉末涂料通过UV紫外线照射可实现快速、节能的交联方法等等。哈克旋转流变仪\粘度计配合各种附件可以提供给客户完备的涂料油墨行业流变性能解决方案。

 

1.1流动(粘度)曲线

 

通过哈克旋转流变仪\粘度计,可以方便快捷的测定样品的流动(粘度)曲线,以表征剪切速率对样品粘度的影响,帮助客户分析样品在不同应用工艺下的流变性能。如下图所示,样品在低剪切速率下具备高粘度可以保证其在储存和运输过程中不发生沉降,在高剪切速率下具备良好的剪切变稀性能则可以更容易的涂刷。

 

 

图1剪切速率对剪切粘度的影响

 

1.2屈服应力

 

屈服应力对于涂料油墨具有十分重要的应用意义。如图2所示,没有屈服应力的涂料非常容易产生流挂现象,在实际应用中的表现就是墙面涂刷后容易产生厚度不均的情况,而具有屈服应力的样品则可以有效地防止流挂现象的发生。对于中性笔芯中的油墨来讲,屈服应力太大不易书写,太小则会导致漏墨。通过哈克旋转流变仪可以使用控制应力的模式来准确的测量样品的屈服应力(图3)。

 

 

图2有无屈服应力的差别  

 

 

 图3屈服应力测试

 

1.3触变性

 

触变性是表征样品由于剪切作用造成粘度降低的自行恢复能力。通过测量触变性,我们可以了解样品的流平性、实际应用和加工情况。例如,用户总是希望油漆的涂刷非常流畅,涂刷完毕后又希望其快速恢复,避免漆膜松垮。通过哈克旋转流变仪既可以通过测量油漆触变环的面积来表征其触变性的大小(图4),又可以通过小幅振荡-高速剪切-小幅振荡的模式来测量其恢复时间(或一定时间后的恢复程度),如下图5所示。

 

 

图4触变环测量方法及曲线

 

图5三段式触变性测量方法及曲线

 

1.4粘弹性

 

粘弹性是流体的粘性及弹性的综合性质。对于涂料油墨来讲,其弹性模量G'和粘性模量G"的大小或者转变规律则会对其的配方研究和应用性能产生非常大的影响。哈克旋转流变仪可以通过应力扫描、频率扫描、温度扫描或者时间扫描或者蠕变-恢复等模式来方便、准确的测量样品的粘弹性。如图6所示,应力扫描模式可以确定样品的线性粘弹区,频率扫描模式可以表征样品粘弹性模量的大小,蠕变-恢复模式则可以给出样品的零剪切粘度、屈服应力、粘性\弹性的比率等重要信息。

 

 

图6粘弹性测试的应力扫描和频率扫描

 

1.5固化性能

 

哈克流变仪配备UV紫外光源或者辐射对流炉CTC,可以帮助客户方便的研究样品的固化过程,采用Rheonaut红外-流变联用模块还可以帮助客户在分子层面上分析样品固化过程中发生的化学变化。

 

 

图7油墨涂料的固化行为表征

 

1.6拉伸行为测量

 

流体的拉伸性能对油漆、涂料及油墨工业有着重要的研究价值,例如涂敷流动、特殊印刷工艺、压缩流动等。同剪切流动相比,许多样品的拉伸流动会显示不同的反应,哈克CaBER1 拉伸流变仪可以帮助客户分析流体细丝的细化和断裂,用于检测悬浮液、乳状液、粘合剂等样品且操作简便。CaBER1 既可以用于分析测试,也可以用于质量控制。

 

 

图8拉伸流变研究

 

1.7油墨行业哈克流变仪配置推荐

 

1.7.1质量控制\生产或技术支持部门

 

HAAKEViscotester IQ/Air 智能流变仪主机+双狭缝低粘度转子+软件+半导体同轴圆筒温控

 

选配:25mm尺寸同轴圆筒温控

 

1.7.2研发部门

 

HAAKEMars IQ/Air 高级旋转流变仪或者MARS40/60模块化流变仪工作站+双狭缝低粘度转子+软件+半导体同轴圆筒温控+平椎板测量系统

 

选配:根据研发需求选择不同尺寸的转子

 

1.7.3高端研发或者紫外固化

 

MARS40/60模块化流变仪工作站+双狭缝低粘度转子+软件+半导体同轴圆筒温控+平椎板测量系统

 

选配:根据研发需求选择不同尺寸的转子

 

紫外固化单元

 

NicoletIS50红外光谱仪

 

二、LUM稳定性分析仪在油墨行业的应用

 

LUM系列稳定性分析仪拥有STEP技术—空间和时间透光率扫描技术。相比于传统的消光/透光率检测方法在单次只能读取样品某个点位置的消光/透光率信息,STEP技术可以单次就记录下整个样品管所有位置的消光/透光率信息。LUM有静置和离心加速两个系列的稳定性分析仪,可在样品静置或离心加速的同时,设置任意时间长度的扫描间隔(最低可每秒钟扫描一次)对样品进行透光率变化的检测,由此可以实现样品任意位置透光率随时间变化的记录。通过每个样品独特的透光率指纹图谱,可以对样品的分离行为和过程分析,得到样品的不稳定性指数,界面迁移速度,颗粒速度和分布,粒度和分布等定量分析。这些定性和定量的结果非常适合油墨,涂料等分散体的稳定性表征,最终实现指导新产品设计,现有产品的优化,生产过程的质量控制及产品保质期/货架期预测等任务。

 

 

图9STEP技术

 

此外,LUM系列稳定性分析仪可以实现多样品测试,最多可以同时测试12个样品。并且有温度控制模块,4-60℃的温控范围可以满足稳定性测试的常规温度条件。

 

2.1分散体状态变化的机理

 

分散体的稳定性取决于诸多相关的物理,物理化学及化学参数,因此其性质是复杂的。稳定性会受如下因素的影响:

  • 分散相的质量或体积浓度(如:空间均一性,稀释或浓缩);
  • 连续相的状态(如:密度,黏度,表面张力,化学势,溶剂);
  • 分散相的状态(如:粒径和分布,形状,颗粒形变,颗粒表面结构);
  • 颗粒/液滴间相互作用(如:静电和范德华力,空间阻力);
  • 分散相和连续相间相互作用(如:润湿性,界面张力,表面和流变学,溶解性,可溶性,网状结构形成)。

 

 

以上种种因素(包括但不限于)的影响,都会让一个分散体的状态出现上浮,沉降,团聚,聚并,奥斯特瓦尔德成熟,,相反转等各种变化。LUM稳定性分析仪正是基于对这些失稳过程的追踪测量,实现对不稳定性的定量检测。

 

 

图10分散体状态的改变

 

2.2分离行为和过程分析

 

本例中,比较同一个涂料样品在不同温度条件下沉降行为的不同。

 

 

图11温度对沉降行为的影响

 

当样品在25℃时,出现区域沉降,即整体沉降的过程;而样品在45℃时,出现多分散沉降,即颗粒按照不同速度沉降的过程。结合样品本身的属性,可以推测在25℃时,该样品的网状结构较好地承托了颗粒;而在45℃时,网状结构崩塌,颗粒没有被很好地包裹在结构中,因此更不稳定。

 

2.3稳定性比较

 

A.本例中,对3款油墨样品的沉降图谱进行展示,并做不稳定数值的定量比较

 

 

蓝色水性油墨

 

红色水性油墨

 

 红色溶剂型油墨

 

图123个油墨样品的图谱和样品管对比

 

 

图133个油墨样品的不稳定性指数

 

从透光率图谱来看,透光率变化的剧烈程度从大到小依次是11A-红色溶剂型油墨>2A-蓝色水性油墨>10A-红色水性油墨;从不稳定性指数排名来看,从最不稳定到稳定的样品依次是11A-红色溶剂型油墨>2A-蓝色水性油墨>10A-红色水性油墨。

 

相对于传统静置观察时间慢,又无法定量比较的方法,LUM稳定性分析仪可以在很短的时间内即可对样品进行快速的稳定性排名。

 

B.本例中,比较3款木材防腐剂涂料的不稳定性指数随时间的变化

 

 

图143个木材防腐剂涂料的不稳定性数值随时间的变化

 

LUM不仅可以给出不稳定性数值,还能给出不稳定性数值随时间的变化。一方面在实验初期就可以短时间内衡量稳定性,另一方面又可避免样品在前期稳定而在长期存放过程中失稳的风险。

 

2.4界面分层速度和界面位置的追踪

 

A.本例中,比较含不同添加剂原料的氧化锆陶瓷墨水的界面沉降行为

 

 

图15-1含不同添加剂原料的氧化锆陶瓷墨水的界面沉降位置随时间的变化及界面沉降速度

 

 

 

图15-2含不同添加剂原料的氧化锆陶瓷墨水的沉降层厚度

 

LUM稳定性分析仪可以对分散体进行详细的界面追踪,可实现对悬浮液的沉降,乳液的上浮,悬浮乳液等复杂分散体的分离和失稳进行表征。

 

B.本例中,比较搅拌和球磨2种不同分散法对涂料稳定性的影响

 

 

图16同一样品在不同分散条件下的图谱差异以及界面沉降速度

 

从透光率图谱的变化来看,两个样品均是区域沉降的过程。其中普通搅拌分散的色浆,其谱线的间距在实验初期就变得较宽,说明沉降较快;后期谱线的间隙变密,出现了沉降压缩。从两个样品界面沉降的速度比较,球磨分散后的样品沉降速度更慢一些。

 

2.5平均透光率

 

本例中,比较2个透明水性涂料的平均透光率差异

 

 

图172个透明水性涂料的平均透光率差异

 

LUM采用的STEP技术,即空间和时间透光率扫描技术,可以给出某个任意时刻样品所有位置的平均透光率信息。一方面,样品的平均透光率可以比较浊度/透明度,浓度差异;另一方面平均透光率随时间变化慢的样品,其稳定性也较好。

 

2.6颗粒表征

 

本例中,比较3个涂料样品中颜料颗粒的沉降速度和分布

 

 

图183款有机颜料的速度分布

 

LUM系列中的的LUMiSizer型号,采用光照离心沉降的粒度测试方法,还可以在不需要提供任何材料参数的情况下,给出颗粒的迁移速度和速度分布。

 

B本例中,比较含不同添加剂原料的陶瓷墨水的粒度和分布

 

 

图19粒度分布和中值粒径

 

LUM系列中的的LUMiSizer型号,采用光照离心沉降的粒度测试方法,在已知参数的情况下还可以给出颗粒的粒径和分布。

 

三、总结

 

在我做流变仪的推广和销售过程中,也常常会遇到客户咨询稳定性分析的问题,比如运输和储存的时候,浆料或者乳液的稳定性怎么表征。根据ISO/TR13097稳定性表征指导原则,流变仪提供的数据,比如零剪切粘度,屈服应力,小形变条件下的弹性模量,这些数据可以间接的表达配方体系的稳定性,而且与LUM稳定性分析仪得到的相对比较结果一致。但是,专业的人干专业的事,专业的问题还需要交由专业的设备,稳定性分析,很显然,LUM更胜任。

 

流变仪在解决剪切场条件下的配方优化,组分兼容性,储存运输稳定性,施工工艺,固化相变追踪,触变性等方便,具有无可替代的优势。在解决产品流动性,形变控制上,得到的数据可以为企业的产品研发,生产制造,质量控制和科学研究,提供全面的技术支持。

 

稳定性分析仪在相对稳定的体系里,寻找不稳定性,从而评估相分离,沉降,分层,上浮,相变等各类不稳定现象,从而为产品的研发,来充分展示产品在稳定性上的优势,对产品的质量,货架期提供多角度的评估判定。

 

作为流变仪的制造商哈克和稳定性分析仪的制造商LUM,从不同角度展示了材料表征组合的独特魅力。这一对产品,终将为材料科学的发展进步贡献属于自己的重要力量。

 

 

 

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