Metoda charakteryzowania zachowań starzeniowych - badanie porównawcze oceniające zależne od czasu zmiany koloru cieczy podczas przechowywania w temperaturze pokojowej i podwyższonejZmiany kolorów cieczy podczas przechowywania w temperaturze pokojowej i podwyższonej
Kontekst i motywacja
W wielu obszarach dóbr konsumpcyjnych kolor i wzornictwo są tak samo ważne, jak funkcja danego komponentu. Kolor i jego przetwarzanie w produkcie, na przykład, przekazują poczucie jakości i wartości. Służy do identyfikacji i wskazuje na niebezpieczeństwo, szacunek lub czystość. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na różnorodność kolorów, producenci tworzyw sztucznych bezpośrednio barwią części podczas procesu formowania wtryskowego, często przy użyciu (kolorowych) koncentratów barwiących.
Barwniki w płynie są opłacalną i elastyczną alternatywą dla koncentratów barwiących do barwienia elementów z tworzyw sztucznych. W porównaniu do koncentratów, główną zaletą jest lepsza dyspersja pigmentów w tworzywach sztucznych, co prowadzi do zmniejszenia ilości dozowania w celu uzyskania takiej samej jakości koloru jak w przypadku koncentratów. Ponadto płynny materiał nośny, oparty na przykład na nienasyconych estrach kwasów tłuszczowych lub naturalnych olejach, zapewnia efekt czyszczenia we wtryskarce. Umożliwia to szybszą zmianę koloru, co znacznie zmniejsza ilość odpadów. Oprócz możliwego wpływu na przetwarzanie (np. stick-slip) i właściwości materiałowe gotowej części (efekt zmiękczania polimeru), zachowanie płynnych kolorów podczas przechowywania jest również bardzo interesujące dla aplikacji.
Niniejsza nota aplikacyjna bada, czy możliwe jest przyspieszone starzenie się ciekłych barwników z powodu podwyższonej temperatury przechowywania i czy jest to widoczne w zmienionych właściwościach reologicznych.
W szczególności należy odpowiedzieć na następujące pytania przy użyciu prostego systemu modelowego:
- Czy możliwe jest zaobserwowanie zmian zachodzących w ciekłych kolorach podczas przechowywania za pomocą reologii?
- Czy występujące zmiany można przyspieszyć poprzez zwiększenie temperatury przechowywania i czy można przewidzieć zachowanie kolorów cieczy?
Materiał i metody
Barwniki w płynie to mieszaniny substancji składające się z płynnego nośnika i spoiwa, barwników i dodatków. Typowymi nośnikami są oleje roślinne, oleje parafinowe i estry kwasów tłuszczowych. Oprócz pigmentów nieorganicznych i organicznych, barwniki mogą być stosowane jako barwniki. Dodatki stosowane w ciekłych kolorach mogą być niezbędne do formułowania i stosowania ciekłego koloru (np. dodatki zwilżające i dyspergujące, środki przeciwpieniące, dodatki reologiczne), ale także do działania gotowego produktu, np. w celu poprawy stabilności UV lub jako środki zmniejszające palność.
Do badań wykorzystano uproszczony układ modelowy bez dodatkowych dodatków. Układ modelowy składa się z oleju rzepakowego jako nośnika z estrami sorbitanowymi kwasów tłuszczowych (mieszanka Tween80/Span80) jako spoiwa i sadzy jako pigmentu. Stały udział masowy cząstek sadzy w układzie modelowym wynosi 15,5%. Zawiesiny były przechowywane w temperaturze 20°C (temperatura pokojowa) i 40°C w celu przyspieszonego starzenia. Równolegle próbki bez pigmentu poddano starzeniu i analizie w celu wykrycia ewentualnych zmian w układzie nośnym.
Testy reologiczne przeprowadzono w różnym czasie (po 0, 3, 9, 18, 36, 72 i 150 dniach) przechowywania.
Przed testami wszystkie próbki były mieszane i homogenizowane przy umiarkowanych/niskich prędkościach mieszania przy użyciu podwójnej asymetrycznej wirówki. Próbki przechowywane w temperaturze 40°C były następnie dostosowywane do temperatury pomiaru (pokojowej) przez co najmniej 1 godzinę.
Próbki scharakteryzowano za pomocą modeli reometru rotacyjnego NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ i Kinexus pro+, w temperaturze 20°C. Wstępne testy wykazały, że pomiary z geometrią pomiarową płyta-płyta zapewniają porównywalne wyniki dla tego systemu materiałowego, jak pomiary z geometrią pomiarową koncentrycznego cylindra. Wszystkie próbki są badane przy użyciu geometrii pomiarowej płytka-płytka za pomocą reologii rotacyjnej. Dla próbki przechowywanej w temperaturze 40°C wykonywane są również oscylacyjne pomiary reologiczne (przemiatanie częstotliwości). Zastosowano geometrię pomiarową koncentrycznego cylindra umożliwiającą badanie większej objętości próbki.
Podczas gdy badania z wykorzystaniem reologii rotacyjnej były wykorzystywane głównie do wykrywania zmian w zachowaniu materiału, pomiary częstotliwościowe miały na celu uzyskanie informacji o zmianach w zachowaniu lepkosprężystym.
Wyniki i dyskusja
Krzywe lepkości zawiesin przechowywanych w temperaturze pokojowej pokazano po lewej stronie na rysunku 1, mierzone przy rosnących szybkościach ścinania. Wyraźnie widać malejącą lepkość ścinania wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co wskazuje na rozrzedzanie ścinaniem. Płynne kolory są zawiesinami, a po przyłożeniu naprężenia ścinającego cząstki są wyrównane w kierunku ścinania, co powoduje mniejszy opór przepływu. Dodatkowo, przy szybkości ścinania poniżej 10 s-1, obserwuje się spadek lepkości przy ścinaniu wraz ze wzrostem czasu przechowywania. Można to interpretować jako degradację strukturalną zachodzącą w czasie przechowywania. Oprócz przedstawionych pomiarów, przeprowadzono pomiary rotacyjne na próbkach oleju rzepakowego z wiórkami w odpowiednich okresach czasu. Porównanie z próbkami niezawierającymi cząstek w czasie wykazało zarówno zachowanie newtonowskie, jak i brak zmian lepkości ścinania związanych z wiekiem. Metoda przechowywania, czy to w temperaturze pokojowej, czy w temperaturze 40°C, nie ma wpływu na zmierzoną lepkość ścinania i krzywą płynięcia próbek wolnych od cząstek. Można zatem założyć, że zmiana lepkości ścinania oleju rzepakowego nie wyjaśnia zmian lepkości ścinania zawiesin.
Wraz ze wzrostem naprężenia (>10 s-1) efekt rozrzedzania ścinaniem zmniejsza się z powodu stopniowego rozmieszczania cząstek w polu przepływu. W rezultacie różnica między próbkami w różnych odstępach czasu (wieku) również maleje, a krzywe pomiarowe zazwyczaj wykazują podobny wynik.
Po 150 dniach w temperaturze pokojowej i po 72 dniach w temperaturze 40°C, próbki wykazują tendencję odbiegającą od normy, szczególnie w wyższym zakresie szybkości ścinania. Wzrost lepkości przy ścinaniu można zaobserwować około 10 s-1 w porównaniu z młodszymi próbkami. Ponieważ zachowanie to jest już widoczne po 72 dniach dla próbki przechowywanej w temperaturze 40°C, można założyć, że czas przechowywania można skrócić o około połowę w celu uzyskania takich samych zmian w badanym zachowaniu reologicznym. Jak pokazano po prawej stronie na rysunku 1, podobną tendencję można zaobserwować dla zawiesiny przechowywanej w temperaturze 40°C przez 72 dni. Można to interpretować jako efekty hydrodynamiczne, takie jak unieruchomienie cieczy wywołane przepływem [1], które stają się bardziej znaczące wraz ze wzrostem czasu przechowywania i związanymi z tym możliwymi zmianami strukturalnymi.
Wraz z badaniem lepkości dynamicznej przy ścinaniu, przeprowadzono pomiar częstotliwości zawiesin za pomocą oscylacji. Umożliwia to mapowanie zarówno właściwości sprężystych, jak i lepkich, znanych jako moduł magazynowania i strat.
Rysunek 2 przedstawia widmo częstotliwości w zakresie od 10 Hz do 10-2 Hz. Zgodnie z omówionymi już pomiarami lepkości przy ścinaniu, ponownie można zaobserwować spadek parametrów reologicznych wraz ze wzrostem czasu przechowywania. Moduł magazynowania (G') jest generalnie wyższy niż Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności (G"), co ilustruje zachowanie materiału zdominowanego przez ciało stałe w badanych warunkach.
Należy jednak podkreślić, że w przypadku zawiesiny przechowywanej w temperaturze 40°C przez 75 dni zaobserwowano krzyżowanie się modułu przechowywania i modułu stratności oraz że Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności dominuje przy częstotliwościach > 3 Hz. Może to być interpretowane jako możliwe zachowanie zdominowane przez lepkość dla tej próbki w danych warunkach pomiarowych i może wskazywać, że stabilność przechowywania zawiesin jest ograniczona. Jednak dla wszystkich zawiesin przechowywanych przez krótszy czas Moduł lepkościModuł zespolony (składnik lepkościowy), moduł stratności lub G'' to "urojona" część ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten lepki składnik wskazuje na reakcję próbki pomiarowej podobną do cieczy lub poza fazą. moduł stratności jest niższy niż moduł magazynowania w całym analizowanym zakresie częstotliwości.
Podsumowanie i perspektywy
Przedstawione badania reologiczne wykazały, że ciekłe barwniki wykazują właściwości rozrzedzania ścinaniem. Ponadto można zaobserwować, że zachowanie zawiesin olej rzepakowy-SadzaTemperatura i atmosfera (gaz przedmuchujący) wpływają na wyniki zmiany masy. Zmieniając atmosferę z np. azotu na powietrze podczas pomiaru TGA, można oddzielić i oznaczyć ilościowo dodatki, np. sadzę, i polimer luzem.sadza zmienia się wraz ze wzrostem czasu przechowywania, tak że wartości badanych zmiennych reologicznych maleją. Zmianę tę można zaobserwować zarówno w lepkości ścinania, jak i w zależnym od częstotliwości module magazynowania i stratności.
Zwiększenie temperatury przechowywania przyspieszyło starzenie zawiesiny oleju rzepakowego i sadzy. Należy jednak zauważyć, że inne mechanizmy starzenia mogą być dominujące ze względu na podwyższoną temperaturę, co należy wyjaśnić w dalszych badaniach.
Celem tych badań było scharakteryzowanie zawiesin oleju rzepakowego i sadzy. Ponadto, z aplikacyjnego punktu widzenia, szczególnie interesująca jest przetwarzalność ciekłych barwników przechowywanych w temperaturze pokojowej i w temperaturze 40°C podczas formowania wtryskowego.
Badania przeprowadzono na układzie modelowym. Wreszcie, należy wyjaśnić, czy można zaobserwować różne zależności temperatury od czasu dla różnych systemów płynnych kolorów. Pomoże to określić, czy różne temperatury są istotne dla sztucznego starzenia. Może być również możliwe Identify klas kolorów ciekłych o porównywalnym zachowaniu starzenia. Dalsze badania powinny również obejmować określenie maksymalnej temperatury, w której można przeprowadzić sztuczne starzenie.