Módszer az öregedési viselkedés jellemzésére - összehasonlító tanulmány az időfüggő viselkedés értékeléséreA folyadékok színének szobahőmérsékleten és emelt hőmérsékleten történő tárolása során bekövetkező változások vizsgálata
Háttér és motiváció
A fogyasztási cikkek számos területén a szín és a design ugyanolyan fontos, mint az alkatrész funkciója. A szín és annak feldolgozása a termékben például a minőség és az érték érzetét közvetíti. Azonosítási célokat szolgál, és rámutat a veszélyre, a tiszteletre vagy a tisztaságra. A színválaszték iránti növekvő igény miatt a műanyaggyártók közvetlenül a fröccsöntési folyamat során színezik be az alkatrészeket, gyakran (szín)mesterkeverékeket használva.
A folyékony színezékek költséghatékony és rugalmas alternatívát jelentenek a masterbatchek helyett a műanyag alkatrészek színezésére. A mesterkeverékekhez képest a pigmentek jobb diszperziója a műanyagban jelentős előny, ami kisebb adagolási mennyiséget eredményez a mesterkeverékekkel azonos színminőség elérése érdekében. Ezenkívül a folyékony hordozóanyag, amely például telítetlen zsírsavészteren vagy természetes olajokon alapul, tisztító hatást fejt ki a fröccsöntőgépben. Ez gyorsabb színváltozást tesz lehetővé, ami jelentősen csökkenti a selejt arányát. A feldolgozásra (pl. ragadós-csúszós) és a kész alkatrész anyagi tulajdonságaira (a polimerre gyakorolt lágyító hatás) gyakorolt lehetséges hatások mellett a folyékony színezékek tárolási viselkedése is nagy érdeklődésre tarthat számot az alkalmazás szempontjából.
Ez az alkalmazási közlemény azt vizsgálja, hogy a folyékony színek gyorsabb öregedése lehetséges-e a megnövekedett tárolási hőmérséklet miatt, és hogy ez megmutatkozik-e a megváltozott reológiai tulajdonságokban.
Különösen a következő kérdésekre kell választ adni egy egyszerű modellrendszer segítségével:
- Megfigyelhető-e a folyékony színek tárolás közbeni változása a reológia alapján?
- Felgyorsíthatók-e a bekövetkező változások a tárolási hőmérséklet növelésével, és előre jelezhető-e a folyékony színek viselkedése?
Anyag és módszerek
A folyékony színezékek folyékony hordozóból és kötőanyagból, színezőanyagokból és adalékanyagokból álló anyagkeverékek. Tipikus hordozók a növényi olajok, paraffinolajok és zsírsavészterek. A szervetlen és szerves pigmentek mellett színezékek is használhatók színezőanyagként. A folyékony színezékekben használt adalékanyagok szükségesek lehetnek a folyékony színezék formulázásához és felhasználásához (pl. nedvesítő és diszpergáló adalékanyagok, habzásgátlók, reológiai adalékanyagok), de a késztermék teljesítményéhez is, pl. a jobb UV-stabilitás érdekében vagy égésgátlóként.
A vizsgálatokhoz további adalékanyagok nélküli egyszerűsített modellrendszert alkalmaznak. A modellrendszer repceolajból mint hordozóanyagból, szorbitán zsírsavészterekből (Tween80/Span80 keverék) mint kötőanyagból és koromból mint pigmentből áll. A modellrendszerben a koromrészecskék szilárd tömegfrakciója 15,5%. A szuszpenziókat 20°C-on (szobahőmérsékleten) és 40°C-on is tárolták gyorsított öregedés céljából. Ezzel párhuzamosan pigment nélküli mintákat is öregítettünk és elemeztünk a hordozórendszerben bekövetkező esetleges változások kimutatása érdekében.
A reológiai vizsgálatokat különböző tárolási időpontokban (0, 3, 9, 18, 36, 72 és 150 nap után) végeztük el.
A vizsgálatok előtt minden mintát közepes/alacsony keverési sebességgel, kettős aszimmetrikus centrifugával kevertek és homogenizáltak. A 40 °C-on tárolt mintákat ezt követően legalább 1 órán keresztül a mérési (szoba)hőmérsékletre állítottuk.
A mintákat a NETZSCH rotációs reométer modelljeinek, a Kinexus Prime ultra+ és a Kinexus pro+ modellekkel jellemeztük 20°C-on. Az előzetes vizsgálatok azt mutatták, hogy a lemez-lemez mérési geometriával végzett mérések hasonló eredményeket adnak erre az anyagrendszerre vonatkozóan, mint a koncentrikus hengeres mérési geometriával végzett mérések. Minden mintát lemezlemezes mérési geometriával vizsgáltak rotációs reológiával. A 40 °C-on tárolt minta esetében oszcillációs reológiai méréseket (frekvencia-söpréseket) is végeznek. A koncentrikus hengeres mérési geometriát alkalmaztuk, amely lehetővé teszi a nagyobb mintatérfogat vizsgálatát.
Míg a rotációs reológiával végzett vizsgálat elsősorban az anyag viselkedésében bekövetkező változások kimutatására szolgált, addig a frekvenciasöprések célja a viszkoelasztikus viselkedésben bekövetkező változásokról való információszerzés volt.
Eredmények és vita
Az 1. ábrán balra a szobahőmérsékleten tárolt szuszpenziók viszkozitási görbéi láthatóak, amelyeket növekvő nyírási sebességgel mértünk. Világosan látható a nyírási sebesség növekedésével csökkenő nyírási viszkozitás, ami nyírási hígító viselkedésre utal. A folyékony színek szuszpenziók, és ha nyírófeszültséget alkalmazunk, a részecskék a nyírás irányába igazodnak, ami kisebb áramlási ellenállást eredményez. Továbbá 10 s-1 alatti nyírási sebességeknél a tárolási idő növekedésével a nyírási viszkozitás csökkenése figyelhető meg. Ez úgy értelmezhető, hogy a tárolási idő alatt szerkezeti degradáció következik be. A bemutatott méréseken kívül a repceolaj tween-chip mintákon forgásméréseket is végeztünk a megfelelő időtartamokban. A részecskementes mintákkal való összehasonlítás az idő múlásával mind newtoni viselkedést, mind a nyírási viszkozitás életkorfüggő változását nem mutatta ki. A tárolás módja, akár szobahőmérsékleten, akár 40 °C-on történt, nincs hatással a mért nyírási viszkozitásra és a részecskementes minták áramlási görbéjére. Ezért feltételezhető, hogy a repceolaj nyírási viszkozitásának változása nem magyarázza a szuszpenziók nyírási viszkozitásának változását.
A feszültség növekedésével (>10 s-1) a nyíró-vékonyító hatás csökken a részecskék fokozatos elrendeződése miatt az áramlási mezőben. Ennek következtében a különböző időintervallumokban (korban) mért minták közötti különbség is csökken, és a mérési görbék jellemzően hasonló eredményt mutatnak.
Szobahőmérsékleten 150 nap után és 40°C-on 72 nap után a minták eltérést mutatnak, különösen a magasabb nyírási sebességtartományban. A fiatalabb mintákhoz képest 10 s-1 körül a nyírási viszkozitás növekedése figyelhető meg. Mivel ez a viselkedés a 40°C-on tárolt minta esetében már 72 nap után is kimutatható, feltételezhető, hogy a tárolási időt körülbelül a felére lehetne csökkenteni a vizsgált reológiai viselkedésben bekövetkező azonos változásokhoz. Amint az 1. ábra jobb oldalán látható, hasonló tendencia figyelhető meg a 40°C-on 72 napig tárolt szuszpenzió esetében. Ez úgy értelmezhető, hogy a tárolási idő növekedésével egyre jelentősebbé váló hidrodinamikai hatások, mint például az áramlás okozta folyadékimmobilizáció [1] és az ehhez kapcsolódó lehetséges szerkezeti változások.
A dinamikus nyírási viszkozitás vizsgálatával párhuzamosan a szuszpenziókon frekvenciasöpréses mérést is végeztünk oszcillációval. Ez lehetővé teszi mind a rugalmas, mind a viszkózus tulajdonságok, az úgynevezett tárolási és Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus feltérképezését.
A 2. ábra a 10 Hz és 10-2 Hz közötti frekvenciaspektrumot ábrázolja. A már tárgyalt nyírási viszkozitási mérésekkel összhangban ismét megfigyelhető a reológiai paraméterek csökkenése a tárolási idő növekedésével. A tárolási modulus (G') általában magasabb, mint a veszteségmodulus (G"), ami a vizsgált körülmények között szilárd anyagra jellemző viselkedést mutat.
Hangsúlyozni kell azonban, hogy a 40 °C-on 75 napig tárolt szuszpenzió esetében a tárolási és a Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus átmenete figyelhető meg, és hogy a Viszkózus modulusA komplex modulus (viszkózus komponens), a veszteségmodulus vagy G'' a minták "képzeletbeli" része a teljes komplex modulus. Ez a viszkózus komponens jelzi a mérendő minta folyadékszerű vagy fázison kívüli válaszát. veszteségi modulus dominál a 3 Hz-nél nagyobb frekvenciákon. Ez úgy értelmezhető, hogy az adott mérési körülmények között a minta esetében a viszkozitás dominálhat, és ez arra utalhat, hogy a szuszpenziók tárolási stabilitása korlátozott. Minden rövidebb ideig tárolt szuszpenzió esetében azonban a veszteségmodulus a teljes elemzett frekvenciatartományban alacsonyabb, mint a tárolási modulus.
Összefoglaló és kilátások
A bemutatott reológiai vizsgálatok azt mutatták, hogy a folyékony színezékek nyírási hígító viselkedést mutatnak. Emellett megfigyelhető volt, hogy a repceolaj-SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása.szénfekete szuszpenziók áramlási viselkedése a tárolási idő növekedésével úgy változik, hogy a vizsgált reológiai változók értékei csökkennek. Ez a változás mind a nyírási viszkozitásban, mind a frekvenciafüggő tárolási és veszteségmodulusban megfigyelhető.
A tárolási hőmérséklet növelésével az öregedés felgyorsult a repceolaj-SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása.szénfekete szuszpenzióban. Meg kell azonban jegyezni, hogy a megemelt hőmérséklet miatt más öregedési mechanizmusok is dominálhatnak, amit további vizsgálatokkal kell tisztázni.
E vizsgálatok középpontjában a repceolaj-SzénfeketeA hőmérséklet és a légkör (tisztítógáz) befolyásolja a tömegváltozási eredményeket. Ha a TGA-mérés során a légkört pl. nitrogénről levegőre változtatjuk, lehetővé válik az adalékanyagok, pl. a korom, és az ömlesztett polimer elválasztása és mennyiségi meghatározása.szénfekete szuszpenziók jellemzése állt. Emellett alkalmazási szempontból különösen érdekes a szobahőmérsékleten és 40°C-os hőmérsékleten tárolt folyékony színezékek feldolgozhatósága a fröccsöntés során.
A vizsgálatokat egy modellrendszeren végeztük el. Végül tisztázni kell, hogy a folyékony színek különböző rendszereinél megfigyelhetők-e eltérő hőmérséklet-idő függőségek. Ez segít annak meghatározásában, hogy a különböző hőmérsékletek relevánsak-e a mesterséges öregedés szempontjából. Lehetséges lehet továbbá, hogy a Identify oldalon hasonló öregedési viselkedésű folyékony színezékek osztályai is megtalálhatók. A további vizsgálatoknak ki kell terjedniük annak a maximális hőmérsékletnek a meghatározására is, amelyen a mesterséges öregítés elvégezhető.