Menetelmä ikääntymiskäyttäytymisen luonnehtimiseksi - Vertaileva tutkimus ajasta riippuvaisen käyttäytymisen arvioimiseksiNesteiden värien muutokset säilytettäessä huoneen ja korkeissa lämpötiloissa
Tausta ja motivaatio
Monilla kulutustavaroiden aloilla väri ja muotoilu ovat yhtä tärkeitä kuin komponentin toiminta. Väri ja sen käsittely tuotteessa esimerkiksi välittävät tunteen laadusta ja arvosta. Se toimii tunnistamistarkoituksessa ja osoittaa vaarallisuutta, kunnioitusta tai puhtautta. Värivalikoiman kasvavan kysynnän vuoksi muovinvalmistajat värjäävät osat suoraan ruiskuvaluprosessin aikana, usein käyttäen (väri)yleisaineita.
Nestemäiset värit ovat kustannustehokas ja joustava vaihtoehto masterbatcheille muoviosien värjäämisessä. Masterbatcheihin verrattuna pigmenttien parempi dispergoituminen muoviin on merkittävä etu, joka johtaa pienempään annostelumäärään, jotta saavutetaan sama värin laatu kuin masterbatcheilla. Lisäksi nestemäinen kantaja-aine, joka perustuu esimerkiksi tyydyttymättömiin rasvahappoestereihin tai luonnonöljyihin, puhdistaa ruiskuvalukonetta. Tämä mahdollistaa nopeammat värinvaihdot, mikä vähentää merkittävästi hylkyastetta. Nestemäisten värien varastointikäyttäytyminen kiinnostaa sovelluksen kannalta suuresti sen lisäksi, että sillä on mahdollisia vaikutuksia käsittelyyn (esim. tahmea liukuminen) ja valmiin kappaleen materiaaliominaisuuksiin (polymeerin pehmentävä vaikutus).
Tässä sovellusohjeessa tutkitaan, onko nestemäisten värien nopeutunut vanheneminen mahdollista varastointilämpötilan nousun vuoksi ja näkyykö tämä muuttuneina reologisina ominaisuuksina.
Erityisesti seuraaviin kysymyksiin pyritään vastaamaan yksinkertaisen mallijärjestelmän avulla:
- Onko mahdollista havaita nestemäisten värien muutokset varastoinnin aikana reologian avulla?
- Voidaanko esiintyviä muutoksia nopeuttaa varastointilämpötilaa nostamalla ja voidaanko nestevärien käyttäytymistä ennustaa?
Aineisto ja menetelmät
Nestemäiset värit ovat aineseoksia, jotka koostuvat nestemäisestä kantaja- ja sideaineesta, väriaineista ja lisäaineista. Tyypillisiä kantajia ovat kasviöljyt, parafiiniöljyt ja rasvahappoesterit. Epäorgaanisten ja orgaanisten pigmenttien lisäksi väriaineina voidaan käyttää väriaineita. Nestemäisissä väreissä käytettävät lisäaineet voivat olla tarpeen nestemäisen värin formuloinnin ja käytön kannalta (esim. kostutus- ja dispergointilisäaineet, vaahdonestoaineet, reologiset lisäaineet), mutta myös lopputuotteen suorituskyvyn kannalta, esim. UV-säteilyn stabiilisuuden parantamiseksi tai palonestoaineina.
Tutkimuksissa käytetään yksinkertaistettua mallijärjestelmää ilman lisäaineita. Mallijärjestelmä koostuu rypsiöljystä kantaja-aineena, sorbitaanirasvahappoesteristä (Tween80/Span80-seos) sideaineena ja hiilimustasta pigmenttinä. Hiilimustahiukkasten kiinteä massaosuus mallijärjestelmässä on 15,5 %. Suspensioita säilytettiin sekä 20 °C:ssa (huoneenlämpötila) että 40 °C:ssa nopeutettua vanhenemista varten. Samanaikaisesti näytteitä, joissa ei ollut pigmenttiä, vanhennettiin ja analysoitiin kantajajärjestelmässä mahdollisesti tapahtuvien muutosten havaitsemiseksi.
Reologiset testit tehtiin eri aikoina (0, 3, 9, 18, 36, 72 ja 150 päivän säilytyksen jälkeen).
Ennen testejä kaikkia näytteitä sekoitettiin ja homogenisoitiin kohtalaisella/hiljaisella sekoitusnopeudella kaksoissymmetrisellä sentrifugilla. Tämän jälkeen 40 °C:ssa säilytetyt näytteet säädettiin vähintään 1 tunnin ajaksi mittauslämpötilaan (huoneenlämpötilaan).
Näytteet karakterisoitiin NETZSCH rotaatioreometrin malleilla, Kinexus Prime ultra+ ja Kinexus pro+, 20 °C:ssa. Alustavat testit ovat osoittaneet, että levy-levy-mittausgeometrialla tehdyillä mittauksilla saadaan tämän materiaalijärjestelmän osalta vertailukelpoisia tuloksia kuin konsentrisen sylinterin mittausgeometrialla tehdyillä mittauksilla. Kaikkia näytteitä tutkitaan levy-levymittausgeometrialla rotaatioreologian avulla. Näytteelle, jota säilytetään 40 °C:ssa, tehdään myös värähtelyreologisia mittauksia (taajuuspyyhkäisyjä). Mittausgeometriaa käytettiin konsentrisen sylinterin mittauksessa, mikä mahdollisti suuremman näytemäärän testaamisen.
Kun rotaatioreologista tutkimusta käytettiin pääasiassa materiaalin käyttäytymisen muutosten havaitsemiseen, taajuuspyyhkäisyjen tarkoituksena oli saada tietoa viskoelastisen käyttäytymisen muutoksista.
Tulokset ja keskustelu
Huoneenlämmössä säilytettyjen suspensioiden viskositeettikäyrät, jotka on mitattu kasvavilla leikkausnopeuksilla, on esitetty kuvassa 1 vasemmalla. Viskositeetti laskee leikkausnopeuden kasvaessa, mikä viittaa leikkausohentavaan käyttäytymiseen. Nestemäiset värit ovat suspensioita, ja kun leikkausjännitys kohdistuu, hiukkaset suuntautuvat leikkaussuuntaan, jolloin virtausvastus vähenee. Lisäksi alle 10 s-1 leikkausnopeuksilla leikkausviskositeetin havaitaan laskevan varastointiajan kasvaessa. Tämä voidaan tulkita siten, että rakenteellinen HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen tapahtuu varastointiajan kuluessa. Esitettyjen mittausten lisäksi rypsiöljyn tween-sirunäytteille suoritettiin rotaatiomittauksia vastaavina ajanjaksoina. Vertailu hiukkasettomiin näytteisiin ajan kuluessa osoitti sekä newtonilaista käyttäytymistä että sitä, että leikkausviskositeetti ei muuttunut iän myötä. Säilytysmenetelmällä, joko huoneenlämmössä tai 40 °C:ssa, ei ole vaikutusta mitattuun leikkausviskositeettiin eikä hiukkasettomien näytteiden virtauskäyrään. Näin ollen voidaan olettaa, että rypsiöljyn leikkausviskositeetin muutos ei selitä suspensioiden leikkausviskositeetin muutoksia.
Jännityksen kasvaessa (>10 s-1) leikkausohennusvaikutus vähenee, mikä johtuu hiukkasten asteittaisesta järjestäytymisestä virtauskentässä. Tämän seurauksena myös näytteiden välinen ero eri aikaväleillä (ikä) pienenee, ja mittauskäyrät ovat tyypillisesti samankaltaisia.
Huoneenlämmössä 150 vuorokauden ja 40 °C:ssa 72 vuorokauden kuluttua näytteet osoittavat poikkeavaa suuntausta erityisesti korkeammalla leikkausnopeusalueella. Leikkausviskositeetin kasvua voidaan havaita noin 10 s-1:n kohdalla verrattuna nuorempiin näytteisiin. Koska tämä käyttäytyminen on ilmeistä jo 72 vuorokauden jälkeen 40 °C:ssa säilytetyn näytteen osalta, voidaan olettaa, että varastointiaikaa voitaisiin lyhentää noin puoleen, jotta reologisessa käyttäytymisessä tapahtuisi samat muutokset kuin tutkitussa reologisessa käyttäytymisessä. Kuten kuvassa 1 oikealla on esitetty, samanlainen suuntaus voidaan havaita 40 °C:ssa 72 päivän ajan varastoidussa suspensiossa. Tämän voidaan tulkita johtuvan hydrodynaamisista vaikutuksista, kuten virtauksen aiheuttamasta nesteen immobilisoitumisesta [1], joka tulee merkittävämmäksi varastointiajan kasvaessa ja siihen liittyvistä mahdollisista rakenteellisista muutoksista.
Dynaamisen leikkausviskositeetin tutkimisen ohella suspensioille tehtiin taajuuspyyhkäisymittaus värähtelyn avulla. Tämä mahdollistaa sekä elastisten että viskoosisten ominaisuuksien, joita kutsutaan varastointi- ja häviömoduuleiksi, kartoittamisen.
Kuvassa 2 on esitetty taajuusspektri 10 Hz:n ja 10-2 Hz:n välillä. Edellä käsiteltyjen leikkausviskositeettimittausten mukaisesti voidaan jälleen havaita reologisten parametrien pieneneminen varastointiajan kasvaessa. Varastointimoduuli (G') on yleensä suurempi kuin ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. häviömoduuli (G"), mikä osoittaa, että materiaali käyttäytyy testatuissa olosuhteissa kiinteästi.
On kuitenkin korostettava, että varastointi- ja häviömoduulin on havaittu ylittyvän, kun suspensiota varastoitiin 40 °C:ssa 75 päivän ajan, ja että ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. häviömoduuli on hallitseva, kun taajuus on > 3 Hz. Tämä voidaan tulkita tämän näytteen mahdolliseksi viskositeetin dominoimaksi käyttäytymiseksi kyseisissä mittausolosuhteissa, ja se voi viitata siihen, että suspensioiden varastointistabiilisuus on rajallinen. Kaikissa lyhyempiä aikoja säilytetyissä suspensioissa ViskositeettimoduuliKompleksinen moduuli (viskoosikomponentti), häviömoduuli tai G'' on näytteiden kokonaiskompleksisen moduulin "imaginääriosa". Tämä viskoosikomponentti osoittaa mitattavan näytteen nestemäisen tai faasin ulkopuolisen vasteen. häviömoduuli on kuitenkin pienempi kuin varastointimoduuli koko analysoidulla taajuusalueella.
Yhteenveto ja näkymät
Esitetyt reologiset tutkimukset ovat osoittaneet, että nestemäiset värit käyttäytyvät leikkausohenteisesti. Lisäksi voitiin havaita, että rypsiöljyn ja hiilimustan suspensioiden virtauskäyttäytyminen muuttuu varastointiajan kasvaessa siten, että tutkittujen reologisten muuttujien arvot pienenevät. Tämä muutos voidaan havaita sekä leikkausviskositeetissa että taajuudesta riippuvassa varastointi- ja häviömoduulissa.
Varastointilämpötilaa nostamalla vanheneminen nopeutui rypsiöljy-hiilimustasuspensiossa. On kuitenkin huomattava, että muut vanhenemismekanismit voivat olla hallitsevia kohonneen lämpötilan vuoksi, mikä olisi selvitettävä lisätutkimuksilla.
Näissä tutkimuksissa keskityttiin rapsiöljyn ja hiilimustan suspensioiden karakterisointiin. Sovelluksen kannalta on lisäksi erityisen kiinnostavaa, miten huoneenlämmössä ja 40 °C:n lämpötilassa varastoituja nestemäisiä värejä voidaan käsitellä ruiskuvalun aikana.
Tutkimukset suoritettiin mallijärjestelmällä. Lopuksi on vielä selvitettävä, voidaanko nestemäisten värien eri järjestelmissä havaita erilaisia lämpötila-aikariippuvuuksia. Tämä auttaa määrittämään, onko eri lämpötiloilla merkitystä keinotekoisen vanhenemisen kannalta. Voi myös olla mahdollista löytää Identify nestemäisten värien luokat, joilla on vertailukelpoinen vanhenemiskäyttäytyminen. Jatkotutkimuksissa olisi myös määritettävä enimmäislämpötila, jossa keinotekoinen vanhentaminen voidaan suorittaa.