Método para Caracterizar el Comportamiento de Envejecimiento - Un Estudio Comparativo para Evaluar los Cambios de Color de los Líquidos Dependientes del Tiempo cuando se Almacenan a Temperaturas Ambiente y ElevadasCambios en el color de los líquidos almacenados a temperatura ambiente y elevada
Antecedentes y motivación
En muchos ámbitos de los bienes de consumo, el color y el diseño son tan importantes como la función de un componente. El color y su tratamiento en el producto, por ejemplo, transmiten una sensación, de calidad y valor. Sirve para la identificación y señala el peligro, el respeto o la pureza. Debido a la creciente demanda de variedad de colores, los fabricantes de plásticos colorean directamente las piezas durante el proceso de moldeo por inyección, a menudo utilizando masterbatches (de color).
Los colores líquidos son una alternativa rentable y flexible a los masterbatches para colorear los componentes de plástico. En comparación con los masterbatches, la mayor ventaja es la mejor dispersión de los pigmentos en los plásticos, lo que reduce la cantidad de dosificación para conseguir la misma calidad de color que con los masterbatches. Además, el material portador líquido, que se basa, por ejemplo, en ésteres de ácidos grasos insaturados o aceites naturales, produce un efecto de limpieza en la máquina de moldeo por inyección. Esto permite cambios de color más rápidos, lo que reduce significativamente la tasa de desechos. Además de los posibles efectos sobre el procesamiento (por ejemplo, stick-slip) y las propiedades del material de la pieza acabada (efecto de ablandamiento en el polímero), el comportamiento de almacenamiento de los colores líquidos también es de gran interés para la aplicación.
Esta nota de aplicación investiga si es posible un envejecimiento acelerado de los colores líquidos debido a un aumento de la temperatura de almacenamiento y si esto se hace evidente por el cambio de las propiedades reológicas.
En particular, se trata de responder a las siguientes preguntas utilizando un sistema modelo sencillo:
- ¿Es posible observar cambios en los colores líquidos durante el almacenamiento mediante la reología?
- ¿Pueden acelerarse los cambios que se producen aumentando la temperatura de almacenamiento y puede predecirse el comportamiento de los colores líquidos?
Material y métodos
Los colorantes líquidos son mezclas de sustancias compuestas por un soporte líquido y un aglutinante, colorantes y aditivos. Los soportes típicos son los aceites vegetales, los aceites de parafina y los ésteres de ácidos grasos. Además de pigmentos inorgánicos y orgánicos, pueden utilizarse tintes como colorantes. Los aditivos utilizados en los colores líquidos pueden ser necesarios para la formulación y el uso del color líquido (por ejemplo, aditivos humectantes y dispersantes, antiespumantes, aditivos reológicos), pero también para el rendimiento del producto acabado, por ejemplo, para mejorar la estabilidad UV o como retardantes de llama.
Para las investigaciones se emplea un sistema modelo simplificado sin aditivos adicionales. El sistema modelo consiste en un aceite de colza como portador con ésteres de ácidos grasos de sorbitán (mezcla Tween80/Span80) como aglutinante y Negro de humoTemperature and atmosphere (purge gas) affect the mass change results. By changing the atmosphere from, e.g., nitrogen to air during the TGA measurement, separation and quantification of additives, e.g., carbon black, and the bulk polymer can become possible.negro de humo como pigmento. La fracción de masa sólida de las partículas de Negro de humoTemperature and atmosphere (purge gas) affect the mass change results. By changing the atmosphere from, e.g., nitrogen to air during the TGA measurement, separation and quantification of additives, e.g., carbon black, and the bulk polymer can become possible.negro de humo en el sistema modelo es del 15,5%. Las suspensiones se almacenaron tanto a 20°C (temperatura ambiente) como a 40°C para su envejecimiento acelerado. Paralelamente, se envejecieron y analizaron muestras sin pigmento para detectar posibles cambios en el sistema portador.
Las pruebas reológicas se realizaron a diferentes tiempos (después de 0, 3, 9, 18, 36, 72 y 150 días) de almacenamiento.
Antes de las pruebas, todas las muestras se agitaron y homogenizaron a velocidades de agitación moderadas/bajas utilizando una centrifugadora asimétrica doble. Las muestras almacenadas a 40°C se ajustaron posteriormente a la temperatura de medición (ambiente) durante un mínimo de 1 hora.
Las muestras se caracterizaron utilizando los modelos de reómetro rotacional NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ y Kinexus pro+, a 20°C. Las pruebas preliminares han demostrado que las mediciones con geometrías de medición de placa-placa proporcionan resultados comparables para este sistema de materiales a los obtenidos con geometrías de medición de cilindros concéntricos. Todas las muestras se investigan con una geometría de medición placa-placa mediante reología rotacional. En el caso de la muestra almacenada a 40°C, también se realizan mediciones reológicas oscilatorias (barridos de frecuencia). Se utilizó la geometría de medición de cilindros concéntricos, que permite ensayar un mayor volumen de muestra.
Mientras que la investigación mediante reología rotacional se utilizó principalmente para detectar cambios en el comportamiento del material, los barridos de frecuencia tenían por objeto obtener información sobre los cambios en el comportamiento viscoelástico.
Resultados y debate
Las curvas de viscosidad de las suspensiones almacenadas a temperatura ambiente se muestran a la izquierda en la Figura 1, medidas a velocidades de cizallamiento crecientes. Se observa claramente una viscosidad de cizallamiento decreciente con velocidades de cizallamiento crecientes, lo que indica un comportamiento de Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento. Los colores líquidos son suspensiones y, cuando se aplica un esfuerzo de cizallamiento, las partículas se alinean en la dirección del cizallamiento, lo que provoca una menor resistencia al flujo. Además, a velocidades de cizallamiento inferiores a 10 s-1, se observa una disminución de la viscosidad de cizallamiento con el aumento del tiempo de almacenamiento. Esto puede interpretarse como que se está produciendo una degradación estructural a lo largo del tiempo de almacenamiento. Además de las mediciones mostradas, se llevaron a cabo mediciones rotacionales en las muestras de aceite de colza tween-chip en los periodos de tiempo respectivos. La comparación con las muestras sin partículas a lo largo del tiempo reveló un comportamiento newtoniano y ningún cambio relacionado con la edad en la viscosidad de cizallamiento. El método de almacenamiento, ya sea a temperatura ambiente o a 40°C, no influye en la viscosidad de cizallamiento medida ni en la curva de flujo de las muestras sin partículas. Por tanto, cabe suponer que un cambio en la viscosidad de cizallamiento del aceite de colza no explica los cambios en la viscosidad de cizallamiento de las suspensiones.
Al aumentar la tensión (>10 s-1), el efecto de Adelgazamiento por cizallamientoEl tipo más común de comportamiento no newtoniano es el adelgazamiento por cizallamiento o flujo pseudoplástico, en el que la viscosidad del fluido disminuye al aumentar el cizallamiento.adelgazamiento por cizallamiento disminuye debido a la disposición gradual de las partículas en el campo de flujo. En consecuencia, la diferencia entre las muestras a distintos intervalos de tiempo (edad) también disminuye y las curvas de medición suelen mostrar un resultado similar.
Después de 150 días a temperatura ambiente y después de 72 días a 40°C, las muestras muestran una tendencia a desviarse, especialmente en el intervalo de velocidad de cizallamiento más alto. Puede observarse un aumento de la viscosidad de cizallamiento en torno a 10 s-1 en comparación con las muestras más jóvenes. Como este comportamiento ya es evidente después de 72 días para la muestra almacenada a 40°C, puede suponerse que el tiempo de almacenamiento podría reducirse aproximadamente a la mitad para obtener los mismos cambios en el comportamiento reológico investigado. Como se muestra a la derecha en la Figura 1, puede observarse una tendencia similar para la suspensión almacenada a 40°C durante 72 días. Esto puede interpretarse como que los efectos hidrodinámicos, como la inmovilización de líquidos inducida por el flujo [1], se vuelven más significativos con el aumento del tiempo de almacenamiento y los posibles cambios estructurales asociados.
Junto con la investigación de la viscosidad de cizallamiento dinámica, se llevó a cabo una medición de barrido de frecuencia en las suspensiones mediante oscilación. Esto permite cartografiar tanto las propiedades elásticas como las viscosas, conocidas como módulo de almacenamiento y de pérdida.
La figura 2 muestra el espectro de frecuencias entre 10 Hz y 10-2 Hz. En consonancia con las mediciones de la viscosidad de cizallamiento ya comentadas, se observa de nuevo una disminución de los parámetros reológicos con el aumento del tiempo de almacenamiento. El módulo de almacenamiento (G') es generalmente superior al Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida (G"), lo que ilustra un comportamiento del material dominado por el sólido en las condiciones ensayadas.
Sin embargo, cabe destacar que se observa un Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce entre el módulo de almacenamiento y el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida en la suspensión almacenada a 40°C durante 75 días y que el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida domina a frecuencias > 3 Hz. Esto puede interpretarse como un posible comportamiento dominado por la viscosidad para esta muestra en las condiciones de medición dadas y puede indicar que la estabilidad de almacenamiento de las suspensiones es limitada. Sin embargo, para todas las suspensiones almacenadas durante tiempos más cortos, el Módulo viscosoEl módulo complejo (componente viscoso), módulo de pérdida o G'', es la parte "imaginaria" del módulo complejo global de la muestra. Este componente viscoso indica la respuesta líquida, o fuera de fase, de la muestra que se está midiendo. módulo de pérdida es inferior al módulo de almacenamiento en toda la gama de frecuencias analizada.
Resumen y perspectivas
Las investigaciones reológicas presentadas han demostrado que los colores líquidos presentan un comportamiento de cizallamiento-adelgazamiento. Además, se ha podido observar que el comportamiento de flujo de las suspensiones de aceite de colza y negro de humo cambia al aumentar el tiempo de almacenamiento, de modo que disminuyen los valores de las variables reológicas investigadas. Este cambio puede observarse tanto en la viscosidad de cizallamiento como en los módulos de almacenamiento y de pérdida dependientes de la frecuencia.
Al aumentar la temperatura de almacenamiento, se aceleró el envejecimiento en la suspensión de aceite de colza y negro de humo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que otros mecanismos de envejecimiento pueden ser dominantes debido a la elevada temperatura, lo que debe aclararse mediante investigaciones posteriores.
Estas investigaciones se centraron en la caracterización de las suspensiones de negro de humo y colza. Además, desde el punto de vista de la aplicación, es de especial interés la procesabilidad de los colores líquidos almacenados a temperatura ambiente y a una temperatura de 40°C durante el moldeo por inyección.
Las investigaciones se llevaron a cabo en un sistema modelo. Por último, es necesario aclarar si pueden observarse diferentes dependencias temperatura-tiempo para diversos sistemas de colores líquidos. Esto ayudará a determinar si las diferentes temperaturas son relevantes para el envejecimiento artificial. También puede ser posible Identify clases de colores líquidos con un comportamiento de envejecimiento comparable. Las investigaciones posteriores también deberían incluir la determinación de la temperatura máxima a la que puede llevarse a cabo el envejecimiento artificial.