Metodo per la caratterizzazione del comportamento all'invecchiamento - Uno studio comparativo per valutare le variazioni di colore dei liquidi dipendenti dal tempoCambiamenti nei colori dei liquidi conservati a temperatura ambiente e a temperature elevate
Contesto e motivazioni
In molti settori dei beni di consumo, il colore e il design sono importanti quanto la funzione di un componente. Il colore e la sua elaborazione nel prodotto, ad esempio, trasmettono una sensazione di qualità e valore. Serve per l'identificazione e indica pericolo, rispetto o purezza. A causa della crescente domanda di varietà di colori, i produttori di materie plastiche colorano direttamente i pezzi durante il processo di stampaggio a iniezione, spesso utilizzando masterbatches (colori).
I colori liquidi sono un'alternativa economica e flessibile ai masterbatches per la colorazione dei componenti in plastica. Rispetto ai masterbatches, una migliore dispersione dei pigmenti nella plastica è un vantaggio importante, che porta a una minore quantità di dosaggio per ottenere la stessa qualità di colore dei masterbatches. Inoltre, il materiale di supporto liquido, basato ad esempio su esteri di acidi grassi insaturi o oli naturali, produce un effetto di pulizia nella macchina di stampaggio a iniezione. Ciò consente un cambio di colore più rapido, riducendo in modo significativo il tasso di scarti. Oltre ai possibili impatti sulla lavorazione (ad esempio, stick-slip) e sulle proprietà del materiale del pezzo finito (effetto ammorbidente sul polimero), anche il comportamento di conservazione dei colori liquidi è di grande interesse per l'applicazione.
Questa nota applicativa esamina se l'invecchiamento accelerato dei colori liquidi sia possibile a causa dell'aumento della temperatura di stoccaggio e se ciò sia evidente dal cambiamento delle proprietà reologiche.
In particolare, è necessario rispondere alle seguenti domande utilizzando un semplice sistema modello:
- È possibile osservare i cambiamenti dei colori liquidi durante lo stoccaggio attraverso la reologia?
- I cambiamenti che si verificano possono essere accelerati aumentando la temperatura di conservazione e si può prevedere il comportamento dei colori liquidi?
Materiali e metodi
I colori liquidi sono miscele di sostanze costituite da un supporto e un legante liquidi, coloranti e additivi. I supporti tipici sono oli vegetali, oli di paraffina ed esteri di acidi grassi. Oltre ai pigmenti inorganici e organici, i coloranti possono essere utilizzati come coloranti. Gli additivi utilizzati nei coloranti liquidi possono essere necessari per la formulazione e l'uso del colorante liquido (ad esempio, additivi bagnanti e disperdenti, antischiuma, additivi reologici), ma anche per le prestazioni del prodotto finito, ad esempio per migliorare la stabilità ai raggi UV o come ritardanti di fiamma.
Per le indagini è stato utilizzato un sistema modello semplificato senza additivi aggiuntivi. Il sistema modello consiste in un olio di colza come vettore, con esteri di acidi grassi di sorbitano (miscela Tween80/Span80) come legante e nerofumo come pigmento. La frazione di massa solida delle particelle di nerofumo nel sistema modello è del 15,5%. Le sospensioni sono state conservate sia a 20°C (temperatura ambiente) che a 40°C per l'invecchiamento accelerato. Parallelamente, sono stati invecchiati e analizzati campioni senza pigmento, al fine di rilevare eventuali cambiamenti nel sistema portante.
I test reologici sono stati eseguiti a diversi tempi (dopo 0, 3, 9, 18, 36, 72 e 150 giorni) di conservazione.
Prima dei test, tutti i campioni sono stati agitati e omogenizzati a velocità di agitazione moderata/bassa utilizzando una centrifuga a doppia asimmetria. I campioni conservati a 40°C sono stati successivamente portati alla temperatura di misurazione (ambiente) per almeno 1 ora.
I campioni sono stati caratterizzati utilizzando i modelli di reometro rotazionale NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ e Kinexus pro+, a 20°C. I test preliminari hanno dimostrato che le misurazioni con geometrie a piastra forniscono risultati comparabili per questo sistema di materiali rispetto a quelle con geometrie a cilindro concentrico. Tutti i campioni sono stati analizzati con una geometria di misura a piastra mediante reologia rotazionale. Per il campione conservato a 40°C, vengono eseguite anche misure reologiche oscillatorie (sweep di frequenza). È stata utilizzata una geometria di misura a cilindro concentrico che ha permesso di testare un volume maggiore di campione.
Mentre l'indagine che utilizza la reologia rotazionale è stata utilizzata principalmente per rilevare i cambiamenti nel comportamento del materiale, le misurazioni in frequenza avevano lo scopo di ottenere informazioni sui cambiamenti nel comportamento viscoelastico.
Risultati e discussione
Le curve di viscosità delle sospensioni conservate a temperatura ambiente sono mostrate a sinistra nella Figura 1, misurate a velocità di taglio crescenti. Si nota chiaramente una diminuzione della viscosità al taglio con l'aumento della velocità di taglio, che indica un comportamento di Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio. I colori liquidi sono sospensioni e quando viene applicato uno sforzo di taglio, le particelle si allineano nella direzione del taglio, con conseguente minore resistenza al flusso. Inoltre, a velocità di taglio inferiori a 10 s-1, si osserva una diminuzione della viscosità di taglio con l'aumentare del tempo di conservazione. Ciò può essere interpretato come una degradazione strutturale che si verifica durante il tempo di conservazione. Oltre alle misurazioni illustrate, sono state effettuate misurazioni rotazionali sui campioni di tween-chip di olio di colza nei rispettivi periodi di tempo. Il confronto con i campioni privi di particelle ha rivelato un comportamento newtoniano e nessuna variazione della viscosità di taglio legata all'età. Il metodo di conservazione, a temperatura ambiente o a 40°C, non ha avuto alcun effetto sulla viscosità di taglio misurata e sulla curva di flusso dei campioni privi di particelle. Si può quindi supporre che una variazione della viscosità di taglio dell'olio di colza non spieghi le variazioni della viscosità di taglio delle sospensioni.
Con l'aumento della sollecitazione (>10 s-1), l'effetto shear-thinning diminuisce a causa della graduale disposizione delle particelle nel campo di flusso. Di conseguenza, anche la differenza tra i campioni a diversi intervalli di tempo (età) diminuisce e le curve di misurazione mostrano tipicamente un risultato simile.
Dopo 150 giorni a temperatura ambiente e dopo 72 giorni a 40°C, i campioni mostrano una tendenza alla deviazione, in particolare nell'intervallo di velocità di taglio più elevato. Si può osservare un aumento della viscosità di taglio intorno a 10 s-1 rispetto ai campioni più giovani. Poiché questo comportamento è già evidente dopo 72 giorni per il campione conservato a 40°C, si può ipotizzare che il tempo di conservazione possa essere ridotto di circa la metà per ottenere gli stessi cambiamenti nel comportamento reologico studiato. Come mostrato a destra nella Figura 1, una tendenza simile può essere osservata per la sospensione conservata a 40°C per 72 giorni. Ciò può essere interpretato da effetti idrodinamici come l'immobilizzazione del liquido indotta dal flusso [1] che diventano più significativi con l'aumentare del tempo di stoccaggio e i possibili cambiamenti strutturali associati.
Oltre all'indagine sulla viscosità di taglio dinamica, è stata effettuata una misurazione di frequenza (frequency sweep) sulle sospensioni mediante oscillazione. Ciò consente di mappare le proprietà elastiche e viscose, note come Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo e di perdita.
La Figura 2 mostra lo spettro di frequenza tra 10 Hz e 10-2 Hz. In linea con le misure di viscosità al taglio già discusse, si osserva nuovamente una diminuzione dei parametri reologici con l'aumento del tempo di stoccaggio. Il Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo (G') è generalmente superiore al Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita (G"), illustrando un comportamento del materiale dominato dal solido nelle condizioni testate.
Va sottolineato, tuttavia, che per la sospensione conservata a 40°C per 75 giorni si osserva un incrocio tra il modulo di conservazione e quello di perdita e che il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita domina a frequenze > 3 Hz. Ciò può essere interpretato come un possibile comportamento dominato dalla viscosità per questo campione nelle condizioni di misurazione date e può indicare che la stabilità di conservazione delle sospensioni è limitata. Per tutte le sospensioni conservate per tempi più brevi, tuttavia, il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita è inferiore al modulo di conservazione per l'intero intervallo di frequenze analizzato.
Sintesi e prospettive
Le indagini reologiche presentate hanno dimostrato che i colori liquidi presentano un comportamento di Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio. Inoltre, si è potuto osservare che il comportamento di flusso delle sospensioni di olio di colza e nerofumo cambia con l'aumentare del tempo di stoccaggio, in modo tale che i valori delle variabili reologiche analizzate diminuiscono. Questo cambiamento può essere osservato sia nella viscosità di taglio che nel Elasticità e modulo di elasticitàL'elasticità della gomma o elasticità dell'entropia descrive la resistenza di qualsiasi sistema di gomma o elastomero contro una deformazione o uno sforzo applicato dall'esterno. modulo di accumulo e di perdita in funzione della frequenza.
Aumentando la temperatura di stoccaggio, l'invecchiamento è stato accelerato nella sospensione di olio di colza e nerofumo. Tuttavia, va notato che altri meccanismi di invecchiamento potrebbero essere dominanti a causa dell'elevata temperatura, il che dovrebbe essere chiarito da ulteriori indagini.
L'obiettivo di queste indagini è stato quello di caratterizzare le sospensioni di olio di colza e nerofumo. Inoltre, da un punto di vista applicativo, è di particolare interesse la lavorabilità dei colori liquidi conservati a temperatura ambiente e a una temperatura di 40°C durante lo stampaggio a iniezione.
Le indagini sono state condotte su un sistema modello. Infine, è necessario chiarire se si possono osservare diverse dipendenze temperatura-tempo per vari sistemi di colori liquidi. Questo aiuterà a determinare se le diverse temperature sono rilevanti per l'invecchiamento artificiale. Potrebbe anche essere possibile Identify classi di colori liquidi con un comportamento di invecchiamento comparabile. Ulteriori indagini dovrebbero comprendere anche la determinazione della temperatura massima a cui è possibile effettuare l'invecchiamento artificiale.