Метод за характеризиране на поведението при стареене - сравнително изследване за оценка на зависимостта от времетоПромени в цветовете на течностите при съхранение при стайна и повишена температура
Контекст и мотивация
В много области на потребителските стоки цветът и дизайнът са също толкова важни, колкото и функцията на даден компонент. Цветът и неговата обработка в продукта например предават усещане за качество и стойност. Той служи за целите на идентификацията и посочва опасност, уважение или чистота. Поради нарастващото търсене на цветово разнообразие производителите на пластмаси директно оцветяват детайлите по време на процеса на шприцване, като често използват (цветни) мастербачове.
Течните оцветители са рентабилна и гъвкава алтернатива на мастербачовете за оцветяване на пластмасови компоненти. В сравнение с мастърбачовете по-добрата дисперсия на пигментите в пластмасите е основно предимство, което води до по-ниско количество на дозиране, за да се постигне същото качество на цвета, както при мастърбачовете. Освен това течният носещ материал, който се основава например на естер на ненаситена мастна киселина или на естествени масла, има почистващ ефект в машината за шприцване. Това дава възможност за по-бърза смяна на цвета, което значително намалява процента на брака. Наред с възможните въздействия върху обработката (напр. прилепване) и свойствата на материала на готовия детайл (омекотяващ ефект върху полимера), поведението на течните цветове при съхранение също представлява голям интерес за приложението.
В тази приложна бележка се изследва дали е възможно ускорено стареене на течните цветове поради повишена температура на съхранение и дали това се вижда от променените реологични свойства.
По-специално, трябва да се отговори на следните въпроси, като се използва проста моделна система:
- Възможно ли е да се наблюдават промени в течните цветове по време на съхранение чрез реологията?
- Могат ли настъпилите промени да бъдат ускорени чрез повишаване на температурата на съхранение и може ли да се предвиди поведението на течните цветове?
Материали и методи
Течните оцветители са смеси от вещества, състоящи се от течен носител и свързващо вещество, оцветители и добавки. Типичните носители са растителни масла, парафинови масла и естери на мастни киселини. В допълнение към неорганичните и органичните пигменти като оцветители могат да се използват и багрила. Добавките, използвани в течните оцветители, могат да бъдат необходими за формулирането и употребата на течния оцветител (напр. овлажняващи и диспергиращи добавки, пенообразуватели, реологични добавки), но също така и за характеристиките на крайния продукт, напр. за подобряване на UV стабилността или като забавители на горенето.
За целите на изследванията се използва опростена моделна система без допълнителни добавки. Моделната система се състои от рапично масло като носител със сорбитанови естери на мастни киселини (смес Tween80/Span80) като свързващо вещество и сажди като пигмент. Твърдата масова фракция на частиците сажди в моделната система е 15,5 %. Суспензиите са съхранявани както при 20°C (стайна температура), така и при 40°C за ускорено стареене. Успоредно с това проби без пигмент са отлежали и анализирани, за да се открият евентуални промени в носещата система.
Реологичните тестове са проведени в различни периоди (след 0, 3, 9, 18, 36, 72 и 150 дни) на съхранение.
Преди тестовете всички проби са разбъркани и хомогенизирани при умерена/ниска скорост на разбъркване с помощта на двойна асиметрична центрофуга. Пробите, съхранявани при 40 °C, впоследствие бяха приведени към температурата на измерване (стайна) за минимум 1 час.
Пробите бяха охарактеризирани с помощта на моделите ротационни реометри NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ и Kinexus pro+, при 20°C. Предварителните тестове показват, че измерванията с геометрия плоча-плоча дават сравними резултати за тази материална система с тези с геометрия концентричен цилиндър. Всички образци са изследвани с геометрия на измервателната плоча чрез ротационна реология. За образеца, съхраняван при 40 °C, се извършват и осцилационни реологични измервания (честотни колебания). Използвана е геометрията на измерване с концентричен цилиндър, която позволява да се изследва по-голям обем на пробата.
Докато изследването, използващо ротационна реология, е използвано основно за откриване на промени в поведението на материала, честотните измервания са предназначени за получаване на информация за промените във вискозно-еластичното поведение.
Резултати и обсъждане
Кривите на вискозитета на суспензиите, съхранявани при стайна температура, са показани вляво на фигура 1, измерени при нарастващи скорости на срязване. Ясно се вижда намаляването на вискозитета с увеличаване на скоростта на срязване, което показва поведение на разреждане при срязване. Течните цветове са суспензии и когато се прилага напрежение на срязване, частиците се подреждат в посока на срязване, което води до по-малко съпротивление на потока. Освен това при скорости на срязване под 10 s-1 се наблюдава намаляване на вискозитета при срязване с увеличаване на времето за съхранение. Това може да се тълкува, че по време на съхранението настъпва структурно разграждане. В допълнение към показаните измервания са извършени ротационни измервания на пробите от туин-чип от рапично масло през съответните периоди от време. Сравнението с пробите без частици във времето показа едновременно нютоново поведение и липса на свързана с възрастта промяна във вискозитета на срязване. Методът на съхранение, независимо дали при стайна температура или при 40 °C, не оказва влияние върху измерения вискозитет на срязване и кривата на потока на пробите без частици. Следователно може да се приеме, че промяната във вискозитета на срязване на рапичното масло не обяснява промените във вискозитета на срязване на суспензиите.
С увеличаване на напрежението (>10 s-1) ефектът на срязване и разреждане намалява поради постепенното подреждане на частиците в полето на потока. В резултат на това разликата между пробите в различни интервали от време (възраст) също намалява и кривите на измерване обикновено показват подобен резултат.
След 150 дни при стайна температура и след 72 дни при 40°C пробите показват тенденция към отклонение, особено в диапазона на по-високите скорости на срязване. Наблюдава се увеличение на вискозитета при срязване около 10 s-1 в сравнение с по-младите проби. Тъй като това поведение вече е очевидно след 72 дни за пробата, съхранявана при 40°C, може да се предположи, че времето за съхранение може да се намали приблизително наполовина за същите промени в изследваното реологично поведение. Както е показано вдясно на фигура 1, подобна тенденция може да се наблюдава за суспензията, съхранявана при 40°C в продължение на 72 дни. Това може да се тълкува като хидродинамични ефекти, като например имобилизация на течността, предизвикана от потока [1], които стават по-значими с увеличаване на времето за съхранение и свързаните с това възможни структурни промени.
Заедно с изследването на динамичния вискозитет на срязване, върху суспензиите беше извършено измерване на честотата чрез осцилация. Това дава възможност за картографиране както на еластичните, така и на вискозните свойства, известни като модул на съхранение и модул на загуба.
На фигура 2 е представен честотният спектър между 10 Hz и 10-2 Hz. В съответствие с вече разгледаните измервания на вискозитета на срязване отново се наблюдава намаляване на реологичните параметри с увеличаване на времето на съхранение. Модулът на съхранение (G') като цяло е по-висок от модула на загуба (G"), което илюстрира поведение на материала, доминирано от твърдо вещество, при тестваните условия.
Трябва обаче да се подчертае, че за суспензията, съхранявана при 40 °C в продължение на 75 дни, се наблюдава пресичане на модула на съхранение и модула на загуба и че модулът на загуба доминира при честоти > 3 Hz. Това може да се интерпретира като възможно поведение, доминирано от вискозитета, за този образец при дадените условия на измерване и може да показва, че стабилността на суспензиите при съхранение е ограничена. За всички суспензии, съхранявани за по-кратко време обаче, модулът на загубите е по-нисък от модула на съхранение в целия анализиран честотен диапазон.
Обобщение и перспективи
Представените реологични изследвания показаха, че течните оцветители имат срязващо разреждащо поведение. Освен това може да се наблюдава, че поведението на потока на суспензиите от рапично масло и сажди се променя с увеличаване на времето за съхранение, като стойностите на изследваните реологични променливи намаляват. Тази промяна може да се наблюдава както при вискозитета на срязване, така и при модула на съхранение и модула на загуба в зависимост от честотата.
Чрез повишаване на температурата на съхранение стареенето се ускорява в суспензията от рапично масло и сажди. Въпреки това трябва да се отбележи, че поради повишената температура може да преобладават други механизми на стареене, което трябва да се изясни чрез допълнителни изследвания.
Фокусът на тези изследвания е върху характеризирането на суспензиите от рапично масло и сажди. Освен това, от гледна точка на приложението, особен интерес представлява обработваемостта на течните оцветители, съхранявани при стайна температура и при температура 40°C по време на шприцване.
Изследванията са проведени върху моделна система. И накрая, необходимо е да се изясни дали за различните системи течни оцветители могат да се наблюдават различни температурно-времеви зависимости. Това ще помогне да се определи дали различните температури са от значение за изкуственото стареене. Възможно е също така да се Identify класове течни оцветители със сравнимо поведение при стареене. По-нататъшните изследвания трябва да включват и определяне на максималната температура, при която може да се извършва изкуствено стареене.