Méthode de caractérisation du comportement au vieillissement - Étude comparative pour l'évaluation des changements de couleur des liquides en fonction du temps lorsqu'ils sont conservés à des températures ambiantes et élevéesChangements dans les couleurs des liquides lorsqu'ils sont stockés à température ambiante et à température élevée
Contexte et motivation
Dans de nombreux domaines des biens de consommation, la couleur et le design sont tout aussi importants que la fonction d'un composant. La couleur et son utilisation dans le produit, par exemple, transmettent un sentiment de qualité et de valeur. Elle sert à l'identification et signale le danger, le respect ou la pureté. En raison de la demande croissante de variété de couleurs, les fabricants de plastique colorent directement les pièces pendant le processus de moulage par injection, souvent à l'aide de mélanges maîtres (de couleurs).
Les couleurs liquides constituent une alternative économique et flexible aux mélanges-maîtres pour la coloration des composants en plastique. Par rapport aux mélanges-maîtres, la meilleure dispersion des pigments dans les matières plastiques est un avantage majeur, ce qui permet de réduire la quantité de dosage pour obtenir la même qualité de couleur qu'avec les mélanges-maîtres. En outre, le support liquide, qui est basé, par exemple, sur un ester d'acide gras insaturé ou des huiles naturelles, produit un effet nettoyant dans la machine de moulage par injection. Cela permet des changements de couleur plus rapides, ce qui réduit considérablement le taux de rebut. En plus des impacts possibles sur le traitement (par exemple, stick-slip) et les propriétés matérielles de la pièce finie (effet de ramollissement sur le polymère), le comportement de stockage des couleurs liquides est également d'un grand intérêt pour l'application.
Cette note d'application examine si un vieillissement accéléré des couleurs liquides est possible en raison d'une augmentation de la température de stockage et si cela se manifeste par une modification des propriétés rhéologiques.
En particulier, il convient de répondre aux questions suivantes à l'aide d'un système modèle simple :
- Est-il possible d'observer les changements dans les couleurs liquides au cours du stockage grâce à la rhéologie ?
- Est-il possible d'accélérer ces changements en augmentant la température de stockage et peut-on prédire le comportement des couleurs liquides ?
Matériel et méthodes
Les couleurs liquides sont des mélanges de substances composés d'un support liquide et d'un liant, de colorants et d'additifs. Les supports typiques sont les huiles végétales, les huiles de paraffine et les esters d'acides gras. Outre les pigments inorganiques et organiques, des colorants peuvent être utilisés. Les additifs utilisés dans les couleurs liquides peuvent être nécessaires à la formulation et à l'utilisation de la couleur liquide (par exemple, additifs mouillants et dispersants, antimousses, additifs rhéologiques), mais aussi à la performance du produit fini, par exemple, pour améliorer la stabilité aux UV ou comme retardateurs de flamme.
Un système modèle simplifié sans additifs supplémentaires est utilisé pour les recherches. Le système modèle se compose d'une huile de colza comme support, d'esters d'acide gras de sorbitan (mélange Tween80/Span80) comme liant et de Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone comme pigment. La fraction de masse solide des particules de Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone dans le système modèle est de 15,5 %. Les suspensions ont été stockées à 20°C (température ambiante) et à 40°C pour un vieillissement accéléré. Parallèlement, des échantillons sans pigment ont été vieillis et analysés afin de détecter d'éventuels changements dans le système porteur.
Les tests rhéologiques ont été effectués à différents moments (après 0, 3, 9, 18, 36, 72 et 150 jours).
Avant les tests, tous les échantillons ont été agités et homogénéisés à des taux d'agitation modérés/faibles à l'aide d'une centrifugeuse asymétrique double. Les échantillons stockés à 40°C ont ensuite été ajustés à la température de mesure (ambiante) pendant au moins une heure.
Les échantillons ont été caractérisés à l'aide des rhéomètres rotatifs NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ et Kinexus pro+, à 20°C. Des essais préliminaires ont montré que les mesures effectuées avec des géométries de mesure plaque-plaque donnent des résultats comparables pour ce système de matériaux à ceux obtenus avec des géométries de mesure à cylindre concentrique. Tous les échantillons sont étudiés avec une géométrie de mesure à plaque au moyen de la rhéologie rotationnelle. Pour l'échantillon stocké à 40°C, des mesures rhéologiques oscillatoires (balayages de fréquence) sont également effectuées. La géométrie de mesure à cylindre concentrique a été utilisée pour tester un plus grand volume d'échantillon.
Alors que l'étude utilisant la rhéologie rotationnelle a été principalement utilisée pour détecter les changements dans le comportement du matériau, les balayages de fréquence étaient destinés à obtenir des informations sur les changements dans le comportement viscoélastique.
Résultats et discussion
Les courbes de viscosité des suspensions stockées à température ambiante sont représentées à gauche dans la figure 1, mesurées à des taux de cisaillement croissants. On observe clairement une diminution de la viscosité de cisaillement avec l'augmentation des taux de cisaillement, ce qui indique un comportement d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement. Les couleurs liquides sont des suspensions et lorsqu'une contrainte de cisaillement est appliquée, les particules sont alignées dans la direction du cisaillement, ce qui réduit la résistance à l'écoulement. En outre, à des taux de cisaillement inférieurs à 10 s-1, une diminution de la viscosité de cisaillement est observée avec l'augmentation du temps de stockage. Cela peut être interprété comme une dégradation structurelle au cours du temps de stockage. En plus des mesures indiquées, des mesures de rotation ont été effectuées sur les échantillons d'huile de colza tween-chip aux périodes respectives. La comparaison avec les échantillons sans particules au fil du temps a révélé un comportement newtonien et aucune modification de la viscosité de cisaillement liée à l'âge. Le mode de stockage, que ce soit à température ambiante ou à 40°C, n'a aucun effet sur la viscosité de cisaillement mesurée et sur la courbe d'écoulement des échantillons exempts de particules. On peut donc supposer qu'une modification de la viscosité de cisaillement de l'huile de colza n'explique pas les changements de viscosité de cisaillement des suspensions.
Avec l'augmentation de la contrainte (>10 s-1), l'effet d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement diminue en raison de l'arrangement progressif des particules dans le champ d'écoulement. Par conséquent, la différence entre les échantillons à différents intervalles de temps (âge) diminue également et les courbes de mesure présentent généralement un résultat similaire.
Après 150 jours à température ambiante et après 72 jours à 40°C, les échantillons présentent une tendance à la déviation, en particulier dans la plage des taux de cisaillement les plus élevés. Une augmentation de la viscosité de cisaillement peut être observée autour de 10 s-1 par rapport aux échantillons plus jeunes. Comme ce comportement est déjà évident après 72 jours pour l'échantillon stocké à 40°C, on peut supposer que le temps de stockage pourrait être réduit de moitié environ pour obtenir les mêmes changements dans le comportement rhéologique étudié. Comme le montre la partie droite de la figure 1, une tendance similaire peut être observée pour la suspension stockée à 40°C pendant 72 jours. Cela peut être interprété comme des effets hydrodynamiques tels que l'immobilisation du liquide induite par l'écoulement [1] qui deviennent plus importants avec l'augmentation du temps de stockage et les changements structurels possibles qui y sont associés.
Parallèlement à l'étude de la viscosité de cisaillement dynamique, une mesure par balayage de fréquence a été effectuée sur les suspensions au moyen d'oscillations. Cela permet de cartographier les propriétés élastiques et visqueuses, connues sous le nom de module de stockage et de perte.
La figure 2 illustre le spectre de fréquence entre 10 Hz et 10-2 Hz. Conformément aux mesures de la viscosité de cisaillement déjà évoquées, on observe à nouveau une diminution des paramètres rhéologiques avec l'augmentation du temps de stockage. Le module de stockage (G') est généralement plus élevé que le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte (G"), ce qui illustre le comportement d'un matériau à dominante solide dans les conditions testées.
Il convient toutefois de souligner qu'un croisement entre le module de stockage et le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte est observé pour la suspension stockée à 40°C pendant 75 jours et que le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte domine à des fréquences > 3 Hz. Cela peut être interprété comme un comportement possiblement dominé par la viscosité pour cet échantillon dans les conditions de mesure données et peut indiquer que la stabilité de stockage des suspensions est limitée. Pour toutes les suspensions stockées pendant des périodes plus courtes, cependant, le Module visqueuxLe module complexe (composante visqueuse), module de perte ou G'', est la partie "imaginaire" du module complexe global des échantillons. Cette composante visqueuse indique la réponse liquide ou déphasée de l'échantillon mesuré. module de perte est inférieur au module de stockage sur toute la gamme de fréquences analysée.
Résumé et perspectives
Les études rhéologiques présentées ont montré que les colorants liquides présentent un comportement d'Effet de cisaillementLe type le plus courant de comportement non newtonien est l'amincissement par cisaillement ou l'écoulement pseudoplastique, où la viscosité du fluide diminue avec l'augmentation du cisaillement.amincissement par cisaillement. En outre, on a pu observer que le comportement d'écoulement des suspensions huile de colza-Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone change avec l'augmentation du temps de stockage, de sorte que les valeurs des variables rhéologiques étudiées diminuent. Ce changement peut être observé à la fois dans la viscosité de cisaillement et dans le module de stockage et de perte dépendant de la fréquence.
L'augmentation de la température de stockage a accéléré le vieillissement de la suspension huile de colza-Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone. Toutefois, il convient de noter que d'autres mécanismes de vieillissement peuvent être dominants en raison de la température élevée, ce qui devrait être clarifié par d'autres études.
L'objectif de ces études était de caractériser les suspensions de Noir de carboneLa température et l'atmosphère (gaz de purge) affectent les résultats du changement de masse. En changeant l'atmosphère, par exemple de l'azote à l'air, pendant la mesure TGA, il est possible de séparer et de quantifier les additifs, par exemple le noir de carbone, et le polymère en vrac.noir de carbone à base d'huile de colza. En outre, d'un point de vue applicatif, il est particulièrement intéressant d'étudier l'aptitude à la transformation des couleurs liquides stockées à température ambiante et à une température de 40°C pendant le moulage par injection.
Les recherches ont été menées sur un système modèle. Enfin, il convient de clarifier si des dépendances température-temps différentes peuvent être observées pour divers systèmes de couleurs liquides. Cela permettra de déterminer si différentes températures sont pertinentes pour le vieillissement artificiel. Il peut également être possible de Identify des classes de couleurs liquides ayant un comportement de vieillissement comparable. Les recherches ultérieures devraient également porter sur la détermination de la température maximale à laquelle le vieillissement artificiel peut être effectué.