Metode til karakterisering af ældningsadfærd - en sammenlignende undersøgelse til evaluering af tidsafhængigeÆndringer i flydende farver ved opbevaring ved stuetemperatur og forhøjet temperatur
Baggrund og motivation
På mange områder inden for forbrugsgoder er farve og design lige så vigtigt som en komponents funktion. Farve og dens behandling i produktet formidler f.eks. en følelse af kvalitet og værdi. Den tjener til identifikationsformål og påpeger fare, respekt eller renhed. På grund af den stigende efterspørgsel efter farvevariation farver plastproducenter delene direkte under sprøjtestøbningsprocessen, ofte ved hjælp af (farve)masterbatches.
Flydende farver er et omkostningseffektivt og fleksibelt alternativ til masterbatches til indfarvning af plastkomponenter. Sammenlignet med masterbatches er en bedre spredning af pigmenterne i plasten en stor fordel, hvilket fører til lavere doseringsmængde for at opnå samme farvekvalitet som med masterbatches. Derudover giver det flydende bæremateriale, der f.eks. er baseret på umættede fedtsyreestere eller naturlige olier, en rengøringseffekt i sprøjtestøbemaskinen. Dette muliggør hurtigere farveskift, hvilket reducerer spildprocenten betydeligt. Sammen med mulige påvirkninger af forarbejdningen (f.eks. stick-slip) og materialeegenskaberne for den færdige del (blødgørende effekt på polymeren) er opbevaringsadfærden for flydende farver også af stor interesse for applikationen.
Denne applikationsnote undersøger, om accelereret ældning af flydende farver er mulig på grund af en øget opbevaringstemperatur, og om dette er tydeligt ud fra ændrede reologiske egenskaber.
Især skal følgende spørgsmål besvares ved hjælp af et simpelt modelsystem:
- Er det muligt at observere ændringer i flydende farver under opbevaring ved hjælp af reologi?
- Kan de forekommende ændringer fremskyndes ved at øge opbevaringstemperaturen, og kan de flydende farvers opførsel forudsiges?
Materiale og metoder
Flydende farver er blandinger af stoffer, der består af et flydende bærestof og bindemiddel, farvestoffer og tilsætningsstoffer. Typiske bærere er vegetabilske olier, paraffinolier og fedtsyreestere. Ud over uorganiske og organiske pigmenter kan farvestoffer bruges som farvestoffer. De tilsætningsstoffer, der bruges i flydende farver, kan være nødvendige for formuleringen og brugen af den flydende farve (f.eks. befugtnings- og dispergeringsadditiver, skumdæmpere, reologiske additiver), men også for det færdige produkts ydeevne, f.eks. for forbedret UV-stabilitet eller som flammehæmmere.
Et forenklet modelsystem uden yderligere tilsætningsstoffer anvendes til undersøgelserne. Modelsystemet består af en rapsolie som bærestof med sorbitanfedtsyreestere (Tween80/Span80-blanding) som bindemiddel og carbon black som pigment. Den faste massefraktion af carbon black-partiklerne i modelsystemet er 15,5 %. Suspensionerne blev opbevaret ved både 20 °C (stuetemperatur) og 40 °C til accelereret ældning. Sideløbende blev prøver uden pigment ældet og analyseret for at opdage mulige ændringer i bæresystemet.
De reologiske tests blev udført på forskellige tidspunkter (efter 0, 3, 9, 18, 36, 72 og 150 dages opbevaring).
Før testene blev alle prøver omrørt og homogeniseret ved moderat/lav omrøringshastighed ved hjælp af en dobbelt asymmetrisk centrifuge. Prøverne, der blev opbevaret ved 40 °C, blev efterfølgende justeret til måletemperaturen (stuetemperatur) i mindst 1 time.
Prøverne blev karakteriseret ved hjælp af NETZSCH rotationsreometermodeller, Kinexus Prime ultra+ og Kinexus pro+, ved 20 °C. Foreløbige tests har vist, at målinger med plade-plade-målegeometrier giver sammenlignelige resultater for dette materialesystem med dem med koncentrisk-cylinder-målegeometrier. Alle prøver er undersøgt med en plade-målegeometri ved hjælp af rotationsreologi. For prøven, der er opbevaret ved 40 °C, udføres der også oscillerende reologiske målinger (frekvenssweeps). Den koncentriske cylinder-målegeometri blev brugt til at teste et større prøvevolumen.
Mens undersøgelsen ved hjælp af rotationsreologi primært blev brugt til at opdage ændringer i materialeadfærd, var frekvenssweepene beregnet til at få oplysninger om ændringerne i den viskoelastiske adfærd.
Resultater og diskussion
Viskositetskurverne for suspensioner, der er opbevaret ved stuetemperatur, er vist til venstre i figur 1, målt ved stigende forskydningshastigheder. Man kan tydeligt se en faldende forskydningsviskositet med stigende forskydningshastigheder, hvilket indikerer en forskydningsfortyndende adfærd. Flydende farver er suspensioner, og når der påføres en forskydningsspænding, justeres partiklerne i forskydningsretningen, hvilket resulterer i mindre modstand mod flow. Ved forskydningshastigheder under 10 s-1 ses desuden et fald i forskydningsviskositeten med stigende opbevaringstid. Dette kan tolkes som, at der sker en strukturel NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning i løbet af opbevaringstiden. Ud over de viste målinger blev der udført rotationsmålinger på rapsolie-tween-chip-prøverne i de respektive tidsperioder. Sammenligning med de partikelfrie prøver over tid afslørede både newtonsk opførsel og ingen aldersrelateret ændring i forskydningsviskositet. Opbevaringsmetoden, hvad enten det er ved stuetemperatur eller ved 40 °C, har ingen effekt på den målte forskydningsviskositet og flowkurven for de partikelfrie prøver. Det kan derfor antages, at en ændring i rapsoliens forskydningsviskositet ikke forklarer ændringerne i suspensionernes forskydningsviskositet.
Med stigende StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress (>10 s-1) falder den forskydningsfortyndende effekt på grund af den gradvise placering af partiklerne i strømningsfeltet. Som følge heraf mindskes forskellen mellem prøverne ved forskellige tidsintervaller (alder) også, og målekurverne viser typisk et lignende resultat.
Efter 150 dage ved stuetemperatur og efter 72 dage ved 40 °C viser prøverne en afvigende tendens, især i området med højere forskydningshastighed. En stigning i forskydningsviskositeten kan observeres omkring 10 s-1 sammenlignet med de yngre prøver. Da denne adfærd allerede er tydelig efter 72 dage for prøven, der er opbevaret ved 40 °C, kan det antages, at opbevaringstiden kunne reduceres med omkring halvdelen for at opnå de samme ændringer i den undersøgte reologiske adfærd. Som vist til højre i figur 1 kan en lignende tendens observeres for suspensionen, der blev opbevaret ved 40 °C i 72 dage. Dette kan tolkes som, at hydrodynamiske effekter som flow-induceret væskeimmobilisering [1] bliver mere betydningsfulde med stigende opbevaringstid og de tilhørende mulige strukturelle ændringer.
Sammen med undersøgelsen af den dynamiske forskydningsviskositet blev der udført en frekvenssweep-måling på suspensionerne ved hjælp af oscillation. Dette muliggør kortlægning af både de elastiske og viskøse egenskaber, kendt som lagrings- og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul.
Figur 2 viser frekvensspektret mellem 10 Hz og 10-2 Hz. I tråd med de allerede omtalte målinger af forskydningsviskositet kan der igen observeres et fald i de reologiske parametre med stigende lagringstid. Lagringsmodulet (G') er generelt højere end tabsmodulet (G"), hvilket illustrerer en faststofdomineret materialeadfærd under de testede forhold.
Det skal dog understreges, at der observeres en overskridelse af lagrings- og tabsmodulet for suspensionen, der er lagret ved 40 °C i 75 dage, og at tabsmodulet dominerer ved frekvenser > 3 Hz. Dette kan tolkes som en mulig viskositetsdomineret adfærd for denne prøve under de givne målebetingelser og kan indikere, at suspensionernes lagringsstabilitet er begrænset. For alle suspensioner, der er opbevaret i kortere tid, er tabsmodulet dog lavere end lagringsmodulet over hele det analyserede frekvensområde.
Resumé og fremtidsudsigter
De præsenterede reologiske undersøgelser har vist, at de flydende farver udviser forskydningsfortyndende adfærd. Derudover kunne det observeres, at strømningsadfærden for rapsolie-carbon black-suspensionerne ændrer sig med stigende lagringstid, således at værdierne for de undersøgte reologiske variabler falder. Denne ændring kan observeres både i forskydningsviskositeten og i det frekvensafhængige lagrings- og ViskositetsmodulDet komplekse modul (viskøse komponent), tabsmodul eller G'', er den "imaginære" del af prøvens samlede komplekse modul. Denne viskøse komponent angiver den væskelignende eller ude af fase reaktion i den prøve, der måles. tabsmodul.
Ved at øge opbevaringstemperaturen blev ældningen fremskyndet i rapsolie-carbon black-suspensionen. Det skal dog bemærkes, at andre ældningsmekanismer kan være dominerende på grund af den forhøjede temperatur, hvilket bør afklares ved yderligere undersøgelser.
Fokus for disse undersøgelser var at karakterisere rapsolie-carbon black-suspensionerne. Ud fra et anvendelsesmæssigt synspunkt er det desuden af særlig interesse, hvordan flydende farver, der opbevares ved stuetemperatur og ved en temperatur på 40 °C, kan forarbejdes under sprøjtestøbning.
Undersøgelserne blev udført på et modelsystem. Endelig skal det afklares, om der kan observeres forskellige temperatur-tidsafhængigheder for forskellige systemer af flydende farver. Dette vil hjælpe med at afgøre, om forskellige temperaturer er relevante for kunstig ældning. Det kan også være muligt at Identify klasser af flydende farver med sammenlignelig aldringsadfærd. Yderligere undersøgelser bør også omfatte bestemmelse af den maksimale temperatur, ved hvilken kunstig ældning kan udføres.