طريقة لتوصيف سلوك الشيخوخة - دراسة مقارنة لتقييم التغيرات المعتمدة على الوقتالتغيرات في ألوان السوائل عند تخزينها في درجات حرارة الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة
الخلفية والدافع
في العديد من مجالات السلع الاستهلاكية، لا يقل اللون والتصميم أهمية عن وظيفة المكوّن في العديد من المجالات. فاللون ومعالجته في المنتج، على سبيل المثال، ينقل شعوراً بالجودة والقيمة. فهو يخدم لأغراض تحديد الهوية ويشير إلى الخطر أو الاحترام أو النقاء. ونظرًا للطلب المتزايد على تنوع الألوان، يقوم مصنعو البلاستيك بتلوين الأجزاء مباشرةً أثناء عملية القولبة بالحقن، وغالبًا ما يستخدمون ماستر (ألوان).
تُعد الألوان السائلة بديلاً فعالاً من حيث التكلفة ومرنًا عن الماسترباتش لتلوين المكونات البلاستيكية. وبالمقارنة مع الأصباغ الرئيسية، يُعد التشتت الأفضل للأصباغ في البلاستيك ميزة رئيسية، مما يؤدي إلى تقليل كمية الجرعات من أجل تحقيق نفس جودة اللون كما هو الحال مع الأصباغ الرئيسية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن المادة الحاملة السائلة، التي تعتمد، على سبيل المثال، على استر الأحماض الدهنية غير المشبعة أو الزيوت الطبيعية، تعطي تأثير تنظيف في ماكينة القولبة بالحقن. وهذا يتيح تغييرات أسرع في اللون مما يقلل بشكل كبير من معدل الخردة. إلى جانب التأثيرات المحتملة على المعالجة (على سبيل المثال، الانزلاق اللاصق) وخصائص المواد للجزء النهائي (تأثير التليين على البوليمر)، فإن سلوك تخزين الألوان السائلة له أهمية كبيرة أيضًا للتطبيق.
تبحث هذه المذكرة التطبيقية في ما إذا كان التقادم المتسارع للألوان السائلة ممكنًا بسبب زيادة درجة حرارة التخزين وما إذا كان ذلك واضحًا من تغير الخصائص الريولوجية.
على وجه الخصوص، يجب الإجابة على الأسئلة التالية باستخدام نظام نموذجي بسيط:
- هل من الممكن ملاحظة التغيرات التي تطرأ على الألوان السائلة أثناء التخزين عن طريق الريولوجيا؟
- هل يمكن تسريع التغيرات التي تحدث عن طريق زيادة درجة حرارة التخزين وهل يمكن التنبؤ بسلوك الألوان السائلة؟
المواد والطرق
الألوان السائلة عبارة عن مخاليط من المواد التي تتكون من مادة حاملة سائلة ومواد رابطة وملونات ومواد مضافة. الناقلات النموذجية هي الزيوت النباتية وزيوت البارافين وإسترات الأحماض الدهنية. بالإضافة إلى الأصباغ غير العضوية والعضوية، يمكن استخدام الأصباغ كملونات. قد تكون الإضافات المستخدمة في الألوان السائلة ضرورية لتركيب واستخدام اللون السائل (على سبيل المثال، إضافات الترطيب والتشتت ومزيلات الرغوة والإضافات الانسيابية)، ولكن أيضًا لأداء المنتج النهائي، على سبيل المثال، لتحسين ثبات الأشعة فوق البنفسجية أو كمثبطات للهب.
يتم استخدام نظام نموذجي مبسط بدون إضافات إضافية في التحقيقات. يتكون النظام النموذجي من زيت بذور اللفت كحامل مع استرات الأحماض الدهنية السوربيتان (مزيج Tween80/Span80) كمادة رابطة وأسود الكربون كصبغة. يبلغ جزء الكتلة الصلبة لجزيئات أسود الكربون في النظام النموذجي 15.5%. تم تخزين المعلقات في درجة حرارة 20 درجة مئوية (درجة حرارة الغرفة) و40 درجة مئوية للتقادم المتسارع. وبالتوازي مع ذلك، تم تعتيق عينات بدون صبغة وتحليلها من أجل الكشف عن التغيرات المحتملة في النظام الحامل.
أُجريت اختبارات الانسيابية في أوقات مختلفة (بعد 0 و3 و9 و18 و36 و72 و150 يومًا) من التخزين.
قبل الاختبارات، تم تقليب جميع العينات وتجانسها بمعدلات تقليب معتدلة/منخفضة باستخدام جهاز طرد مركزي مزدوج غير متماثل. تم بعد ذلك تعديل العينات المخزنة عند درجة حرارة 40 درجة مئوية إلى درجة حرارة القياس (الغرفة) لمدة ساعة واحدة على الأقل.
تم توصيف العينات باستخدام طرازي مقياس الانسيابية الدورانية NETZSCH ، Kinexus Prime ultra+ وKinexus pro+، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية. وقد أظهرت الاختبارات الأولية أن القياسات باستخدام هندسة قياس الألواح ذات الألواح الصفيحية توفر نتائج مماثلة لتلك التي تُجرى باستخدام هندسة قياس الأسطوانات متحدة المركز. تم فحص جميع العينات باستخدام هندسة قياس اللوح الصفيحي عن طريق الانسيابية الدورانية. بالنسبة للعينة المخزنة عند درجة حرارة 40 درجة مئوية، يتم أيضًا إجراء قياسات الانسيابية التذبذبية (عمليات مسح التردد). استُخدمت هندسة قياس الأسطوانة متحدة المركز مما يتيح اختبار حجم أكبر للعينة.
بينما استُخدم الفحص باستخدام الريولوجيا الدورانية بشكل أساسي للكشف عن التغيرات في سلوك المادة، كان الهدف من عمليات المسح الترددي هو الحصول على معلومات حول التغيرات في السلوك اللزوجة المرنة.
النتائج والمناقشة
وتظهر منحنيات اللزوجة للمعلقات المخزنة في درجة حرارة الغرفة على اليسار في الشكل 1، مقيسة بمعدلات قص متزايدة. يمكن بوضوح رؤية تناقص لزوجة القص مع زيادة معدلات القص، مما يشير إلى سلوك ترقق القص. الألوان السائلة عبارة عن معلقات وعندما يتم تطبيق إجهاد القص، تتم محاذاة الجسيمات في اتجاه القص، مما يؤدي إلى مقاومة أقل للتدفق. بالإضافة إلى ذلك، عند معدلات القص التي تقل عن 10 ث-1، لوحظ انخفاض في لزوجة القص مع زيادة وقت التخزين. يمكن تفسير ذلك بأن التدهور الهيكلي يحدث خلال فترة التخزين. وبالإضافة إلى القياسات الموضحة، أُجريت قياسات دورانية على عينات زيت بذور اللفت ذات الرقاقة التوين في الفترات الزمنية المعنية. كشفت المقارنة مع العينات الخالية من الجسيمات بمرور الوقت عن سلوك نيوتوني وعدم وجود تغير مرتبط بالعمر في لزوجة القص. لم يكن لطريقة التخزين، سواء في درجة حرارة الغرفة أو عند درجة حرارة 40 درجة مئوية، أي تأثير على لزوجة القص المقاسة ومنحنى التدفق للعينات الخالية من الجسيمات. لذلك يمكن افتراض أن التغير في لزوجة القص لزيت بذور اللفت لا يفسر التغيرات في لزوجة القص للمعلقات.
مع زيادة الإجهاد (>10 ث-1)، ينخفض تأثير ترقق القص بسبب الترتيب التدريجي للجسيمات في مجال التدفق. ونتيجة لذلك، يتناقص أيضًا الفرق بين العينات في فترات زمنية مختلفة (العمر) وتظهر منحنيات القياس عادةً نتيجة مماثلة.
بعد مرور 150 يومًا في درجة حرارة الغرفة وبعد 72 يومًا عند درجة حرارة 40 درجة مئوية، تُظهر العينات ميلًا منحرفًا، خاصةً في نطاق معدل القص الأعلى. يمكن ملاحظة زيادة في لزوجة القص حوالي 10 ث-1 مقارنةً بالعينات الأصغر سنًا. نظرًا لأن هذا السلوك واضح بالفعل بعد 72 يومًا للعينة المخزنة عند درجة حرارة 40 درجة مئوية، يمكن افتراض أنه يمكن تقليل وقت التخزين بمقدار النصف تقريبًا للحصول على نفس التغييرات في السلوك الانسيابي الذي تم فحصه. كما هو موضح على اليمين في الشكل 1، يمكن ملاحظة اتجاه مماثل للمعلق المخزن عند درجة حرارة 40 درجة مئوية لمدة 72 يومًا. يمكن تفسير ذلك من خلال التأثيرات الهيدروديناميكية مثل تجميد السائل الناجم عن التدفق [1] الذي يصبح أكثر أهمية مع زيادة وقت التخزين والتغيرات الهيكلية المحتملة المرتبطة به.
إلى جانب التحقيق في لزوجة القص الديناميكية، تم إجراء قياس مسح التردد على المعلقات عن طريق التذبذب. يتيح ذلك رسم خرائط لكل من الخصائص المرنة واللزوجة المعروفة باسم معامل التخزين والفقد.
يوضح الشكل 2 طيف التردد بين 10 هرتز و10-2 هرتز. وتماشيًا مع قياسات لزوجة القص التي تمت مناقشتها بالفعل، يمكن مرة أخرى ملاحظة انخفاض في المعاملات الانسيابية مع زيادة وقت التخزين. يكون معامل التخزين (G') أعلى بشكل عام من معامل الفقد (G")، مما يوضح سلوك المادة الصلبة في ظل الظروف التي تم اختبارها.
ومع ذلك، ينبغي التأكيد على أنه لوحظ وجود تقاطع بين معامل التخزين ومعامل الفقد بالنسبة للمعلق المخزن عند درجة حرارة 40 درجة مئوية لمدة 75 يومًا، وأن معامل الفقد يهيمن عند الترددات > 3 هرتز. يمكن تفسير ذلك على أنه سلوك محتمل تهيمن عليه اللزوجة لهذه العينة في ظل ظروف القياس المحددة وقد يشير إلى أن ثبات تخزين المعلقات محدود. ومع ذلك، بالنسبة لجميع المعلقات المخزنة لفترات أقصر، يكون معامل الفقد أقل من معامل التخزين على كامل نطاق التردد الذي تم تحليله.
الملخص والنظرة المستقبلية
أظهرت الفحوصات الريولوجية المقدمة أن الألوان السائلة تُظهر سلوكًا مرققًا للقص. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن ملاحظة أن سلوك التدفق لمعلقات زيت بذور اللفت وزيت الكربون الأسود يتغير مع زيادة وقت التخزين بحيث تنخفض قيم المتغيرات الريولوجية التي تم فحصها. يمكن ملاحظة هذا التغير في كل من لزوجة القص ومعامل التخزين المعتمد على التردد ومعامل الفقد.
وبزيادة درجة حرارة التخزين، تسارعت الشيخوخة في معلق زيت بذور اللفت الأسود الكربوني. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن آليات الشيخوخة الأخرى قد تكون مهيمنة بسبب ارتفاع درجة الحرارة التي ينبغي توضيحها من خلال إجراء المزيد من التحقيقات.
انصب تركيز هذه التحقيقات على توصيف معلقات أسود الكربون الكربوني وزيت بذور اللفت. وبالإضافة إلى ذلك، من وجهة نظر تطبيقية، من المهم بشكل خاص قابلية معالجة الألوان السائلة المخزنة في درجة حرارة الغرفة وعند درجة حرارة 40 درجة مئوية أثناء قولبة الحقن.
تم إجراء التحقيقات على نظام نموذجي. وأخيرًا، يجب توضيح ما إذا كان يمكن ملاحظة التبعيات المختلفة لدرجات الحرارة والوقت لمختلف أنظمة الألوان السائلة. سيساعد ذلك في تحديد ما إذا كانت درجات الحرارة المختلفة ذات صلة بالشيخوخة الاصطناعية. قد يكون من الممكن أيضًا Identify فئات من الألوان السائلة ذات سلوك تقادم مماثل. يجب أن تشمل التحقيقات الإضافية أيضًا تحديد درجة الحرارة القصوى التي يمكن عندها إجراء التقادم الاصطناعي.