Metode untuk Mengkarakterisasi Perilaku Penuaan - Studi Komparatif untuk Mengevaluasi Ketergantungan WaktuPerubahan Warna Cairan Saat Disimpan pada Suhu Kamar dan Suhu Tinggi
Latar Belakang dan Motivasi
Di banyak bidang barang konsumen, warna dan desain sama pentingnya dengan fungsi suatu komponen. Warna dan pengolahannya dalam produk, misalnya, menyampaikan perasaan, kualitas dan nilai. Warna berfungsi untuk tujuan identifikasi dan menunjukkan bahaya, rasa hormat, atau kemurnian. Karena meningkatnya permintaan akan variasi warna, produsen plastik secara langsung mewarnai komponen selama proses pencetakan injeksi, sering kali menggunakan masterbatch (warna).
Warna cair adalah alternatif yang hemat biaya dan fleksibel untuk masterbatch untuk mewarnai komponen plastik. Dibandingkan dengan masterbatch, dispersi pigmen yang lebih baik dalam plastik merupakan keuntungan utama, yang mengarah pada kuantitas dosis yang lebih rendah untuk mencapai kualitas warna yang sama dengan masterbatch. Selain itu, bahan pembawa cair, yang didasarkan, misalnya, pada ester asam lemak tak jenuh atau minyak alami, menghasilkan efek pembersihan dalam mesin cetak injeksi. Hal ini memungkinkan perubahan warna yang lebih cepat yang secara signifikan mengurangi tingkat skrap. Seiring dengan kemungkinan dampak pada pemrosesan (misalnya, selip tongkat) dan sifat material dari bagian jadi (efek pelunakan pada polimer), perilaku penyimpanan warna cair juga sangat menarik untuk aplikasi ini.
Catatan aplikasi ini menyelidiki apakah percepatan penuaan warna cair dimungkinkan karena peningkatan suhu penyimpanan dan apakah hal ini terbukti dari perubahan sifat reologi.
Secara khusus, pertanyaan-pertanyaan berikut ini harus dijawab dengan menggunakan sistem model sederhana:
- Apakah mungkin untuk mengamati perubahan warna cair selama penyimpanan berdasarkan reologi?
- Dapatkah perubahan yang terjadi dipercepat dengan meningkatkan suhu penyimpanan dan dapatkah perilaku warna cairan diprediksi?
Bahan dan Metode
Warna cair adalah campuran zat yang terdiri atas pembawa dan pengikat cair, pewarna dan aditif. Pembawa yang umum digunakan adalah minyak nabati, minyak parafin dan ester asam lemak. Selain pigmen anorganik dan organik, pewarna dapat digunakan sebagai pewarna. Aditif yang digunakan dalam warna cair mungkin diperlukan untuk formulasi dan penggunaan warna cair (misalnya, aditif pembasah dan pendispersi, penghilang busa, aditif reologi), tetapi juga untuk kinerja produk jadi, misalnya untuk meningkatkan stabilitas UV atau sebagai penghambat api.
Sistem model yang disederhanakan tanpa aditif tambahan digunakan untuk penyelidikan. Sistem model terdiri dari minyak lobak sebagai pembawa dengan ester asam lemak sorbitan (campuran Tween80/Span80) sebagai pengikat dan Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam sebagai pigmen. Fraksi massa padat partikel Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam dalam sistem model adalah 15,5%. Suspensi disimpan pada suhu 20°C (suhu kamar) dan 40°C untuk mempercepat penuaan. Secara paralel, sampel tanpa pigmen dituakan dan dianalisis untuk mendeteksi kemungkinan perubahan dalam sistem pembawa.
Uji reologi dilakukan pada waktu yang berbeda (setelah 0, 3, 9, 18, 36, 72, dan 150 hari) penyimpanan.
Sebelum pengujian, semua sampel diaduk dan dihomogenisasi dengan kecepatan pengadukan sedang/rendah menggunakan sentrifugasi asimetris ganda. Sampel yang disimpan pada suhu 40°C kemudian disesuaikan dengan suhu pengukuran (ruangan) selama minimal 1 jam.
Sampel dikarakterisasi menggunakan model rheometer rotasi NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ dan Kinexus pro+, pada suhu 20°C. Pengujian awal telah menunjukkan bahwa pengukuran dengan geometri pengukuran pelat-pelat memberikan hasil yang sebanding untuk sistem material ini dengan pengukuran dengan geometri pengukuran silinder-konsentris. Semua sampel diselidiki dengan geometri pengukuran pelat-pelat melalui reologi rotasi. Untuk sampel yang disimpan pada suhu 40°C, pengukuran reologi osilasi (sapuan frekuensi) juga dilakukan. Geometri pengukuran silinder konsentris digunakan sehingga memungkinkan volume sampel yang lebih besar untuk diuji.
Sementara investigasi menggunakan reologi rotasi terutama digunakan untuk mendeteksi perubahan perilaku material, sapuan frekuensi dimaksudkan untuk mendapatkan informasi tentang perubahan perilaku viskoelastik.
Hasil dan Pembahasan
Kurva viskositas suspensi yang disimpan pada suhu kamar ditunjukkan di sebelah kiri pada Gambar 1, diukur pada laju geser yang meningkat. Viskositas geser yang menurun dengan meningkatnya laju geser, mengindikasikan perilaku Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang dapat dilihat dengan jelas. Warna cairan adalah suspensi dan ketika tegangan geser diterapkan, partikel-partikel disejajarkan ke arah geser, sehingga menghasilkan lebih sedikit hambatan untuk mengalir. Selain itu, pada laju geser di bawah 10 s-1, penurunan viskositas geser diamati dengan bertambahnya waktu penyimpanan. Hal ini dapat diartikan bahwa degradasi struktural terjadi selama waktu penyimpanan. Selain pengukuran yang ditunjukkan, pengukuran rotasi dilakukan pada sampel tween-chip minyak lobak pada periode waktu masing-masing. Perbandingan dengan sampel bebas partikel dari waktu ke waktu menunjukkan perilaku Newtonian dan tidak ada perubahan viskositas geser yang berkaitan dengan usia. Metode penyimpanan, baik pada suhu kamar maupun pada suhu 40°C, tidak berpengaruh terhadap viskositas geser yang diukur dan kurva aliran sampel bebas partikel. Oleh karena itu, dapat diasumsikan bahwa perubahan viskositas geser dari minyak lobak tidak menjelaskan perubahan viskositas geser suspensi.
Dengan meningkatnya tegangan (>10 s-1), efek Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser berkurang karena pengaturan partikel secara bertahap dalam bidang aliran. Akibatnya, perbedaan antara sampel pada interval waktu yang berbeda (usia) juga berkurang dan kurva pengukuran biasanya menunjukkan hasil yang serupa.
Setelah 150 hari pada suhu kamar dan setelah 72 hari pada suhu 40°C, sampel menunjukkan kecenderungan yang menyimpang, terutama pada kisaran laju geser yang lebih tinggi. Peningkatan viskositas geser dapat diamati sekitar 10 s-1 dibandingkan dengan sampel yang lebih muda. Karena perilaku ini sudah terlihat setelah 72 hari untuk sampel yang disimpan pada suhu 40°C, maka dapat diasumsikan bahwa waktu penyimpanan dapat dikurangi sekitar setengahnya untuk perubahan yang sama pada perilaku reologi yang diteliti. Seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan pada Gambar 1, kecenderungan yang sama dapat diamati untuk suspensi yang disimpan pada suhu 40°C selama 72 hari. Hal ini dapat ditafsirkan dengan efek hidrodinamika seperti imobilisasi cairan yang diinduksi oleh aliran [1] menjadi lebih signifikan dengan bertambahnya waktu penyimpanan dan kemungkinan perubahan struktural yang terjadi.
Bersamaan dengan investigasi viskositas geser dinamis, pengukuran sapuan frekuensi dilakukan pada suspensi dengan cara osilasi. Hal ini memungkinkan pemetaan sifat elastis dan viskositas, yang dikenal sebagai modulus penyimpanan dan kehilangan.
Gambar 2 menggambarkan spektrum frekuensi antara 10 Hz dan 10-2 Hz. Sejalan dengan pengukuran viskositas geser yang telah dibahas, penurunan parameter reologi dengan bertambahnya waktu penyimpanan dapat diamati lagi. Modulus penyimpanan (G') umumnya lebih tinggi daripada Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan (G"), yang menggambarkan perilaku material yang didominasi oleh padatan dalam kondisi yang diuji.
Namun, perlu ditekankan bahwa persilangan antara modulus penyimpanan dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan diamati untuk suspensi yang disimpan pada suhu 40°C selama 75 hari dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan mendominasi pada frekuensi > 3 Hz. Hal ini dapat ditafsirkan sebagai kemungkinan perilaku yang didominasi oleh viskositas untuk sampel ini dalam kondisi pengukuran yang diberikan dan dapat mengindikasikan bahwa stabilitas penyimpanan suspensi terbatas. Namun, untuk semua suspensi yang disimpan dalam waktu yang lebih singkat, Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan lebih rendah daripada modulus penyimpanan pada seluruh rentang frekuensi yang dianalisis.
Ringkasan & Prospek
Investigasi reologi yang disajikan telah menunjukkan bahwa warna cair menunjukkan perilaku Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser. Selain itu, dapat diamati bahwa perilaku aliran suspensi rapeseed-oil-carbon black berubah dengan bertambahnya waktu penyimpanan sehingga nilai variabel reologi yang diselidiki menurun. Perubahan ini dapat diamati baik pada viskositas geser maupun pada penyimpanan yang bergantung pada frekuensi dan Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan.
Dengan meningkatkan suhu penyimpanan, penuaan dipercepat pada suspensi minyak rapeseed-Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam. Namun, perlu dicatat bahwa mekanisme penuaan lainnya mungkin dominan karena suhu tinggi yang harus diklarifikasi dengan penyelidikan lebih lanjut.
Fokus dari investigasi ini adalah untuk mengkarakterisasi suspensi minyak rapeseed-Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam. Selain itu, dari sudut pandang aplikatif, hal yang menarik adalah kemampuan proses warna cair yang disimpan pada suhu kamar dan pada suhu 40°C selama pencetakan injeksi.
Penyelidikan dilakukan pada sistem model. Terakhir, perlu diklarifikasi, apakah ketergantungan suhu-waktu yang berbeda-beda dapat diamati untuk berbagai sistem warna cair. Hal ini akan membantu menentukan, apakah suhu yang berbeda relevan untuk penuaan buatan. Hal ini juga memungkinkan untuk Identify kelas-kelas warna cair dengan perilaku penuaan yang sebanding. Penyelidikan lebih lanjut juga harus mencakup penentuan suhu maksimum di mana penuaan buatan dapat dilakukan.