Método para caracterizar o comportamento do envelhecimento - Um estudo comparativo para avaliar as alterações dependentes do tempoMudanças nas cores dos líquidos quando armazenados em temperatura ambiente e em temperaturas elevadas
Histórico e motivação
Em muitas áreas de bens de consumo, a cor e o design são tão importantes quanto a função de um componente. A cor e seu processamento no produto, por exemplo, transmitem uma sensação de qualidade e valor. Ela serve para fins de identificação e indica perigo, respeito ou pureza. Devido à crescente demanda por variedade de cores, os fabricantes de plástico colorem diretamente as peças durante o processo de moldagem por injeção, geralmente usando masterbatches (de cores).
Os corantes líquidos são uma alternativa econômica e flexível aos masterbatches para colorir componentes plásticos. Em comparação com os masterbatches, a melhor dispersão dos pigmentos nos plásticos é uma grande vantagem, levando a uma menor quantidade de dosagem para obter a mesma qualidade de cor dos masterbatches. Além disso, o material de transporte líquido, que se baseia, por exemplo, em ésteres de ácidos graxos insaturados ou óleos naturais, produz um efeito de limpeza na máquina de moldagem por injeção. Isso permite mudanças de cor mais rápidas, o que reduz significativamente a taxa de refugo. Juntamente com os possíveis impactos no processamento (por exemplo, deslizamento) e nas propriedades do material da peça acabada (efeito de amolecimento no polímero), o comportamento de armazenamento dos corantes líquidos também é de grande interesse para a aplicação.
Esta nota de aplicação investiga se o envelhecimento acelerado de corantes líquidos é possível devido a um aumento da temperatura de armazenamento e se isso é evidente nas propriedades reológicas alteradas.
Em particular, as seguintes perguntas devem ser respondidas usando um sistema de modelo simples:
- É possível observar mudanças nas cores líquidas durante o armazenamento por meio da reologia?
- As mudanças que ocorrem podem ser aceleradas pelo aumento da temperatura de armazenamento e o comportamento das cores líquidas pode ser previsto?
Material e métodos
Os corantes líquidos são misturas de substâncias que consistem em um veículo líquido e aglutinante, corantes e aditivos. Os transportadores típicos são óleos vegetais, óleos de parafina e ésteres de ácidos graxos. Além dos pigmentos inorgânicos e orgânicos, os corantes podem ser usados como corantes. Os aditivos usados em corantes líquidos podem ser necessários para a formulação e o uso do corante líquido (por exemplo, aditivos umectantes e dispersantes, antiespumantes, aditivos reológicos), mas também para o desempenho do produto acabado, por exemplo, para melhorar a estabilidade UV ou como retardadores de chama.
Um sistema modelo simplificado sem aditivos adicionais é empregado para as investigações. O sistema modelo consiste em um óleo de colza como transportador com ésteres de ácido graxo de sorbitano (mistura de Tween80/Span80) como aglutinante e Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo como pigmento. A fração de massa sólida das partículas de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo no sistema modelo é de 15,5%. As suspensões foram armazenadas a 20°C (temperatura ambiente) e a 40°C para envelhecimento acelerado. Paralelamente, amostras sem pigmento foram envelhecidas e analisadas para detectar possíveis alterações no sistema transportador.
Os testes reológicos foram realizados em diferentes momentos (após 0, 3, 9, 18, 36, 72 e 150 dias) de armazenamento.
Antes dos testes, todas as amostras foram agitadas e homogeneizadas em taxas de agitação moderadas/baixas usando uma centrífuga assimétrica dupla. As amostras armazenadas a 40°C foram posteriormente ajustadas para a temperatura de medição (ambiente) por um período mínimo de 1 hora.
As amostras foram caracterizadas usando os modelos de reômetro rotacional NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ e Kinexus pro+, a 20°C. Testes preliminares mostraram que as medições com geometrias de medição de placa de chapa fornecem resultados comparáveis para esse sistema de material àqueles com geometrias de medição de cilindro concêntrico. Todas as amostras são investigadas com uma geometria de medição de placa por meio de reologia rotacional. Para a amostra armazenada a 40°C, também são realizadas medições reológicas oscilatórias (varreduras de frequência). A geometria de medição do cilindro concêntrico foi usada para permitir o teste de um volume maior de amostra.
Enquanto a investigação usando reologia rotacional foi usada principalmente para detectar mudanças no comportamento do material, as varreduras de frequência foram planejadas para obter informações sobre as mudanças no comportamento viscoelástico.
Resultados e discussão
As curvas de viscosidade das suspensões armazenadas em temperatura ambiente são mostradas à esquerda na Figura 1, medidas em taxas de cisalhamento crescentes. Pode-se observar claramente uma viscosidade de cisalhamento decrescente com o aumento das taxas de cisalhamento, indicando um comportamento de afinamento por cisalhamento. As cores líquidas são suspensões e, quando uma EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento é aplicada, as partículas são alinhadas na direção do cisalhamento, resultando em menor resistência ao fluxo. Além disso, em taxas de cisalhamento abaixo de 10 s-1, observa-se uma diminuição na viscosidade de cisalhamento com o aumento do tempo de armazenamento. Isso pode ser interpretado como uma degradação estrutural que está ocorrendo durante o tempo de armazenamento. Além das medições mostradas, foram realizadas medições rotacionais nas amostras de óleo de colza com partículas intermediárias nos respectivos períodos de tempo. A comparação com as amostras sem partículas ao longo do tempo revelou um comportamento newtoniano e nenhuma alteração relacionada à idade na viscosidade de cisalhamento. O método de armazenamento, seja em temperatura ambiente ou a 40°C, não tem efeito sobre a viscosidade de cisalhamento medida e a curva de fluxo das amostras sem partículas. Portanto, pode-se presumir que uma alteração na viscosidade de cisalhamento do óleo de colza não explica as alterações na viscosidade de cisalhamento das suspensões.
Com o aumento da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão (>10 s-1), o efeito de afinamento por cisalhamento diminui devido ao arranjo gradual das partículas no campo de fluxo. Como resultado, a diferença entre as amostras em diferentes intervalos de tempo (idade) também diminui e as curvas de medição geralmente apresentam um resultado semelhante.
Após 150 dias em temperatura ambiente e após 72 dias a 40°C, as amostras mostram uma tendência de desvio, especialmente na faixa de taxa de cisalhamento mais alta. Um aumento na viscosidade de cisalhamento pode ser observado em torno de 10 s-1 em comparação com as amostras mais jovens. Como esse comportamento já é evidente após 72 dias para a amostra armazenada a 40°C, pode-se presumir que o tempo de armazenamento poderia ser reduzido em cerca de metade para as mesmas alterações no comportamento reológico investigado. Conforme mostrado à direita na Figura 1, uma tendência semelhante pode ser observada para a suspensão armazenada a 40°C por 72 dias. Isso pode ser interpretado por efeitos hidrodinâmicos, como a imobilização de líquido induzida por fluxo [1], que se tornam mais significativos com o aumento do tempo de armazenamento e as possíveis mudanças estruturais associadas.
Juntamente com a investigação da viscosidade de cisalhamento dinâmica, foi realizada uma medição de varredura de frequência nas suspensões por meio de oscilação. Isso permite o mapeamento das propriedades elásticas e viscosas, conhecidas como módulo de armazenamento e perda.
A Figura 2 mostra o espectro de frequência entre 10 Hz e 10-2 Hz. De acordo com as medições de viscosidade de cisalhamento já discutidas, pode-se observar novamente uma diminuição nos parâmetros reológicos com o aumento do tempo de armazenamento. O módulo de armazenamento (G') é geralmente mais alto do que o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda (G"), ilustrando um comportamento de material dominado por sólidos nas condições testadas.
Deve-se enfatizar, no entanto, que um cruzamento do módulo de armazenamento e de perda é observado para a suspensão armazenada a 40°C por 75 dias e que o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda predomina em frequências > 3 Hz. Isso pode ser interpretado como um possível comportamento dominado pela viscosidade para essa amostra sob as condições de medição fornecidas e pode indicar que a estabilidade de armazenamento das suspensões é limitada. Para todas as suspensões armazenadas por períodos mais curtos, no entanto, o Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda é menor do que o módulo de armazenamento em toda a faixa de frequência analisada.
Resumo e perspectivas
As investigações reológicas apresentadas mostraram que as cores líquidas exibem um comportamento de Desbaste por cisalhamentoO tipo mais comum de comportamento não newtoniano é o afinamento por cisalhamento ou fluxo pseudoplástico, em que a viscosidade do fluido diminui com o aumento do cisalhamento.diluição por cisalhamento. Além disso, foi possível observar que o comportamento de fluxo das suspensões de óleo de colza e Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo muda com o aumento do tempo de armazenamento, de modo que os valores das variáveis reológicas investigadas diminuem. Essa mudança pode ser observada tanto na viscosidade de cisalhamento quanto no armazenamento dependente de frequência e no Módulo de viscosidadeO módulo complexo (componente viscoso), módulo de perda ou G'', é a parte "imaginária" das amostras do módulo complexo geral. Esse componente viscoso indica a resposta do tipo líquido, ou fora de fase, da amostra que está sendo medida. módulo de perda.
Ao aumentar a temperatura de armazenamento, o envelhecimento foi acelerado na suspensão de óleo de colza e Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo. No entanto, deve-se observar que outros mecanismos de envelhecimento podem ser dominantes devido à temperatura elevada, o que deve ser esclarecido por meio de outras investigações.
O foco dessas pesquisas foi caracterizar as suspensões de óleo de colza e Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo. Além disso, do ponto de vista da aplicação, é de particular interesse a processabilidade das cores líquidas armazenadas em temperatura ambiente e a uma temperatura de 40°C durante a moldagem por injeção.
As investigações foram realizadas em um sistema modelo. Por fim, é preciso esclarecer se diferentes dependências de temperatura e tempo podem ser observadas em vários sistemas de corantes líquidos. Isso ajudará a determinar se diferentes temperaturas são relevantes para o envelhecimento artificial. Também pode ser possível Identify classes de cores líquidas com comportamento de envelhecimento comparável. Outras investigações também devem incluir a determinação da temperatura máxima em que o envelhecimento artificial pode ser realizado.