노화 거동을 특성화하는 방법 - 시간 의존적 평가를 위한 비교 연구실온 및 고온에서 보관 시 액체 색상의 변화
배경 및 동기
소비재의 많은 영역에서 색상과 디자인은 구성 요소의 기능만큼이나 중요합니다. 예를 들어 제품의 색상과 가공은 품질과 가치에 대한 느낌을 전달합니다. 색상은 식별 목적으로 사용되며 위험, 존중 또는 순수성을 나타냅니다. 다양한 색상에 대한 수요가 증가함에 따라 플라스틱 제조업체는 사출 성형 공정 중에 부품에 직접 색상을 지정하고, 종종 (컬러) 마스터 배치를 사용합니다.
리퀴드 컬러는 플라스틱 부품을 착색할 때 마스터배치를 대체할 수 있는 비용 효율적이고 유연한 대안입니다. 마스터 배치에 비해 플라스틱에 안료가 더 잘 분산되어 마스터 배치와 동일한 색상 품질을 달성하기 위해 도징 양을 줄일 수 있다는 것이 큰 장점입니다. 또한 불포화 지방산 에스테르 또는 천연 오일을 기본으로 하는 액체 캐리어 재료는 사출 성형기에서 세척 효과를 제공합니다. 이를 통해 더 빠른 색상 변경이 가능하여 불량률을 크게 줄일 수 있습니다. 가공(예: 스틱 슬립) 및 완제품의 재료 특성(폴리머의 연화 효과)에 미칠 수 있는 영향과 함께 액체 색상의 저장 거동도 응용 분야에서 큰 관심사입니다.
이 애플리케이션 노트에서는 보관 온도 상승으로 인해 리퀴드 컬러의 노화가 가속화되는지 여부와 이러한 현상이 유변학적 특성의 변화로 인해 나타나는지 여부를 조사합니다.
특히 간단한 모델 시스템을 사용하여 다음과 같은 질문에 답해야 합니다:
- 유변학에 의한 보관 중 액체 색상의 변화를 관찰할 수 있는가?
- 보관 온도를 높임으로써 발생하는 변화를 가속화할 수 있으며 액체 색상의 거동을 예측할 수 있습니까?
자료 및 방법
액체 색상은 액체 캐리어와 바인더, 착색제 및 첨가제로 구성된 물질의 혼합물입니다. 일반적인 담체는 식물성 오일, 파라핀 오일 및 지방산 에스테르입니다. 무기 및 유기 안료 외에도 염료를 착색제로 사용할 수 있습니다. 액상 색상에 사용되는 첨가제는 액상 색상의 제형 및 사용(예: 습윤 및 분산 첨가제, 소포제, 유변학 첨가제)을 위해 필요할 수 있지만, 자외선 안정성 향상 또는 난연제 등 완제품의 성능을 위해서도 필요할 수 있습니다.
조사에는 추가 첨가제가 없는 단순화된 모델 시스템이 사용됩니다. 이 모델 시스템은 소르비탄 지방산 에스테르(Tween80/Span80 혼합물)를 바인더로 사용하는 유채씨 오일과 안료인 카본 블랙으로 구성됩니다. 모델 시스템에서 카본 블랙 입자의 고체 질량 비율은 15.5%입니다. 현탁액은 가속 노화를 위해 20°C(실온)와 40°C에서 모두 보관했습니다. 이와 동시에 캐리어 시스템의 가능한 변화를 감지하기 위해 안료가 없는 샘플을 숙성하고 분석했습니다.
유변학 테스트는 다양한 시간(0, 3, 9, 18, 36, 72, 150일 보관 후)에 수행되었습니다.
테스트 전에 모든 샘플은 이중 비대칭 원심분리기를 사용하여 중간/낮은 교반 속도로 교반하고 균질화했습니다. 이후 40°C에서 보관된 샘플을 최소 1시간 동안 측정(실온) 온도에 맞춰 조정했습니다.
샘플은 20°C에서 회전 레오미터 모델인 Kinexus Prime ultra+ 및 Kinexus pro+( NETZSCH )를 사용하여 특성화되었습니다. 예비 테스트 결과, 판판 측정 기하학적 구조를 사용한 측정이 동심원 실린더 측정 기하학적 구조를 사용한 측정과 비슷한 결과를 제공하는 것으로 나타났습니다. 모든 시료는 회전 유변학을 통해 플레이트-플레이트 측정 지오메트리로 조사했습니다. 40°C에서 보관된 시료의 경우 진동 유변학 측정(주파수 스윕)도 수행됩니다. 동심 실린더 측정 지오메트리를 사용하여 더 큰 시료 부피를 테스트할 수 있습니다.
회전 유변학을 이용한 조사는 주로 재료 거동의 변화를 감지하는 데 사용되었지만, 주파수 스윕은 점탄성 거동의 변화에 대한 정보를 얻기 위한 것이었습니다.
결과 및 토론
그림 1의 왼쪽에는 실온에서 보관된 현탁액의 점도 곡선이 표시되어 있으며, 전단 속도가 증가할 때 측정한 것입니다. 전단 속도가 증가함에 따라 전단 점도가 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이는 전단 얇아지는 거동을 나타냅니다. 액체 색상은 현탁액으로 전단 응력이 가해지면 입자가 전단 방향으로 정렬되어 흐름에 대한 저항이 줄어듭니다. 또한 전단 속도 10초-1 미만에서는 저장 시간이 증가함에 따라 전단 점도가 감소하는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 저장 시간이 지남에 따라 구조적 열화가 발생하고 있는 것으로 해석할 수 있습니다. 표시된 측정값 외에도 각 기간에 유채유 트윈칩 샘플에 대해 회전 측정을 수행했습니다. 입자가 없는 샘플과 시간 경과에 따른 비교를 통해 뉴턴적 거동과 전단 점도의 연령 관련 변화를 모두 확인할 수 있었습니다. 실온 또는 40°C에서 보관하는 방법은 측정된 전단 점도와 무입자 시료의 유동 곡선에 영향을 미치지 않았습니다. 따라서 유채 기름의 전단 점도 변화는 현탁액의 전단 점도 변화를 설명하지 못한다고 가정할 수 있습니다.
응력이 증가하면(>10초-1) 유동장 내 입자의 점진적인 배열로 인해 전단 박리 효과가 감소합니다. 그 결과, 다른 시간 간격(노화)에 따른 샘플 간의 차이도 감소하고 측정 곡선은 일반적으로 유사한 결과를 나타냅니다.
실온에서 150일 후와 40°C에서 72일 후 샘플은 특히 높은 전단 속도 범위에서 편차 경향을 보입니다. 전단 점도의 증가는 어린 샘플에 비해 약 10초-1 정도에서 관찰할 수 있습니다. 이러한 거동은 40°C에서 보관한 샘플의 경우 72일 후에 이미 뚜렷하게 나타나므로, 조사된 유변학적 거동의 동일한 변화를 위해 보관 시간을 약 절반으로 줄일 수 있다고 가정할 수 있습니다. 그림 1의 오른쪽에서 볼 수 있듯이 40°C에서 72일 동안 보관한 현탁액에서도 비슷한 경향을 관찰할 수 있습니다. 이는 유동에 의한 액체 고정화[1]와 같은 유체 역학적 효과가 저장 시간이 증가함에 따라 더욱 중요해지고 이와 관련된 구조적 변화가 발생하기 때문으로 해석할 수 있습니다.
동적 전단 점도에 대한 조사와 함께 진동을 통해 서스펜션에 대한 주파수 스윕 측정을 수행했습니다. 이를 통해 저장 및 손실 계수로 알려진 탄성 및 점성 특성을 모두 매핑할 수 있습니다.
그림 2는 10Hz와 10-2Hz 사이의 주파수 스펙트럼을 보여줍니다. 앞서 설명한 전단 점도 측정과 마찬가지로 저장 시간이 증가함에 따라 유변학적 파라미터가 감소하는 것을 다시 한 번 관찰할 수 있습니다. 저장 계수(G')는 일반적으로 손실 계수(G")보다 높으며, 이는 테스트 조건에서 고체가 지배하는 재료 거동을 보여줍니다.
그러나 40°C에서 75일 동안 보관한 현탁액의 경우 저장 탄성률과 손실 탄성률의 교차가 관찰되고 3Hz 이상의 주파수에서 손실 탄성률이 우세하다는 점을 강조해야 합니다. 이는 주어진 측정 조건에서 이 시료의 점도가 지배적인 거동으로 해석할 수 있으며 현탁액의 보관 안정성이 제한적임을 나타낼 수 있습니다. 그러나 더 짧은 시간 동안 보관된 모든 현탁액의 경우, 손실 계수는 분석된 전체 주파수 범위에서 보관 계수보다 낮습니다.
요약 및 전망
유변학적 조사 결과 액체 색상이 전단 희석 거동을 보이는 것으로 나타났습니다. 또한 유채-오일-카본 블랙 현탁액의 유동 거동은 저장 시간이 증가함에 따라 변화하여 조사된 유변학적 변수의 값이 감소하는 것을 관찰할 수 있었습니다. 이러한 변화는 전단 점도와 주파수 의존적 저장 및 손실 계수에서 모두 관찰할 수 있습니다.
보관 온도를 높이면 유채유-카본 블랙 현탁액에서 노화가 가속화되었습니다. 그러나 온도 상승으로 인해 다른 노화 메커니즘이 지배적일 수 있으며, 이는 추가 조사를 통해 명확히 밝혀져야 합니다.
이 조사의 초점은 유채-카본 블랙 현탁액의 특성을 파악하는 것이었습니다. 또한 응용적인 관점에서 실온과 사출 성형 중 40°C의 온도에서 보관된 액체 색상의 가공성이 특히 흥미로웠습니다.
조사는 모델 시스템에서 수행되었습니다. 마지막으로, 다양한 액체 색상 시스템에 대해 서로 다른 온도-시간 의존성을 관찰할 수 있는지 여부를 명확히 해야 합니다. 이는 다양한 온도가 인공 노화와 관련이 있는지 판단하는 데 도움이 될 것입니다. 비슷한 노화 거동을 보이는 액체 색상을 Identify 클래스로 분류하는 것도 가능할 수 있습니다. 추가 조사에는 인공 노화를 수행할 수 있는 최대 온도에 대한 결정도 포함되어야 합니다.