Metodă de caracterizare a comportamentului la îmbătrânire - Studiu comparativ pentru evaluarea modificărilor în funcție de timpÎn funcție de timp a culorilor lichide atunci când sunt depozitate la temperatura camerei și la temperaturi ridicate
Context și motivație
În multe domenii ale bunurilor de consum, culoarea și designul sunt la fel de importante ca și funcția unei componente. Culoarea și prelucrarea sa în produs, de exemplu, transmit un sentiment, de calitate și valoare. Ea servește în scopuri de identificare și indică pericolul, respectul sau puritatea. Datorită cererii tot mai mari de varietate de culori, producătorii de mase plastice colorează direct piesele în timpul procesului de turnare prin injecție, folosind adesea masterbatches (culori).
Culorile lichide sunt o alternativă rentabilă și flexibilă la masterbatches pentru colorarea componentelor din plastic. În comparație cu masterbatch-urile, dispersia mai bună a pigmenților în materialele plastice este un avantaj major, ceea ce duce la o cantitate mai mică de dozare pentru a obține aceeași calitate a culorii ca în cazul masterbatch-urilor. În plus, materialul suport lichid, care se bazează, de exemplu, pe ester de acid gras nesaturat sau uleiuri naturale, produce un efect de curățare în mașina de turnare prin injecție. Acest lucru permite schimbări de culoare mai rapide, ceea ce reduce semnificativ rata de rebuturi. Pe lângă posibilele efecte asupra prelucrării (de exemplu, stick-slip) și a proprietăților materiale ale piesei finite (efect de înmuiere asupra polimerului), comportamentul de depozitare al culorilor lichide este, de asemenea, de mare interes pentru aplicație.
Această notă de aplicare investighează dacă îmbătrânirea accelerată a culorilor lichide este posibilă din cauza unei temperaturi de depozitare crescute și dacă acest lucru este evident din modificarea proprietăților reologice.
În special, ar trebui să se răspundă la următoarele întrebări utilizând un sistem model simplu:
- Este posibil să se observe modificările culorilor lichide în timpul depozitării prin reologie?
- Modificările care apar pot fi accelerate prin creșterea temperaturii de depozitare și poate fi prezis comportamentul culorilor lichide?
Material și metode
Culorile lichide sunt amestecuri de substanțe compuse dintr-un suport și liant lichid, coloranți și aditivi. Suporturile tipice sunt uleiurile vegetale, uleiurile de parafină și esterii acizilor grași. În plus față de pigmenții anorganici și organici, coloranții pot fi utilizați ca coloranți. Aditivii utilizați în coloranții lichizi pot fi necesari pentru formularea și utilizarea colorantului lichid (de exemplu, aditivi de umectare și dispersie, antispumanți, aditivi reologici), dar și pentru performanța produsului finit, de exemplu, pentru îmbunătățirea stabilității la UV sau ca substanțe ignifuge.
Un sistem model simplificat fără aditivi suplimentari este utilizat pentru investigații. Sistemul model constă dintr-un ulei de rapiță ca suport, cu esteri ai acidului gras sorbitan (amestec Tween80/Span80) ca liant și negru de fum ca pigment. Fracția de masă solidă a particulelor de negru de fum din sistemul model este de 15,5%. Suspensiile au fost depozitate atât la 20°C (temperatura camerei), cât și la 40°C pentru îmbătrânire accelerată. În paralel, probele fără pigment au fost îmbătrânite și analizate pentru a detecta eventualele modificări ale sistemului suport.
Testele reologice au fost efectuate la momente diferite (după 0, 3, 9, 18, 36, 72 și 150 de zile) de depozitare.
Înainte de teste, toate probele au fost agitate și omogenizate la viteze de agitare moderate/scăzute cu ajutorul unei centrifuge asimetrice duble. Probele depozitate la 40°C au fost ajustate ulterior la temperatura de măsurare (ambiantă) timp de minimum 1 oră.
Probele au fost caracterizate cu ajutorul modelelor de reometru rotațional NETZSCH, Kinexus Prime ultra+ și Kinexus pro+, la 20°C. Testele preliminare au arătat că măsurătorile cu geometrii de măsurare placă-placă oferă rezultate comparabile pentru acest sistem de materiale cu cele cu geometrii de măsurare cilindru concentric. Toate probele sunt studiate cu o geometrie de măsurare cu plăci prin intermediul reologiei rotaționale. Pentru proba depozitată la 40 °C, se efectuează, de asemenea, măsurători reologice oscilatorii (scanări de frecvență). Geometria de măsurare cu cilindru concentric a fost utilizată pentru a permite testarea unui volum mai mare de probă.
În timp ce investigația cu ajutorul reologiei rotaționale a fost utilizată în principal pentru a detecta modificări ale comportamentului materialului, baleiajele de frecvență au fost destinate obținerii de informații cu privire la modificările comportamentului vâscoelastic.
Rezultate și discuții
Curbele de vâscozitate ale suspensiilor depozitate la temperatura camerei sunt prezentate în partea stângă a figurii 1, măsurate la rate de forfecare în creștere. Se poate observa în mod clar o scădere a vâscozității de forfecare odată cu creșterea vitezelor de forfecare, indicând un comportament de subțiere prin forfecare. Culorile lichide sunt suspensii și, atunci când se aplică o tensiune de forfecare, particulele sunt aliniate în direcția de forfecare, rezultând o rezistență mai mică la curgere. În plus, la viteze de forfecare sub 10 s-1, se observă o scădere a vâscozității de forfecare odată cu creșterea timpului de depozitare. Acest lucru poate fi interpretat ca o degradare structurală are loc pe parcursul perioadei de depozitare. În plus față de măsurătorile prezentate, au fost efectuate măsurători de rotație pe probele de ulei de rapiță tween-chip la perioadele de timp respective. Comparația în timp cu probele fără particule a evidențiat atât un comportament newtonian, cât și nicio modificare a vâscozității de forfecare legată de vârstă. Metoda de depozitare, la temperatura camerei sau la 40 °C, nu are niciun efect asupra vâscozității de forfecare măsurate și asupra curbei de curgere a probelor fără particule. Prin urmare, se poate presupune că o modificare a vâscozității de forfecare a uleiului de rapiță nu explică modificările vâscozității de forfecare a suspensiilor.
Odată cu creșterea tensiunii (>10 s-1), efectul de subțiere prin forfecare scade din cauza aranjării treptate a particulelor în câmpul de curgere. Ca urmare, diferența dintre probe la diferite intervale de timp (vârstă) scade, de asemenea, iar curbele de măsurare prezintă, de obicei, un rezultat similar.
După 150 de zile la temperatura camerei și după 72 de zile la 40°C, probele prezintă o tendință de deviere, în special în intervalul de viteză de forfecare mai mare. O creștere a vâscozității de forfecare poate fi observată în jurul valorii de 10 s-1 în comparație cu probele mai tinere. Deoarece acest comportament este deja evident după 72 de zile pentru proba depozitată la 40°C, se poate presupune că timpul de depozitare ar putea fi redus la aproximativ jumătate pentru aceleași modificări ale comportamentului reologic investigat. După cum se arată în dreapta în figura 1, o tendință similară poate fi observată pentru suspensia depozitată la 40°C timp de 72 de zile. Acest lucru poate fi interpretat prin efecte hidrodinamice, cum ar fi imobilizarea lichidului indusă de flux [1], care devin mai semnificative odată cu creșterea timpului de depozitare și posibilele modificări structurale asociate.
Împreună cu investigarea vâscozității dinamice de forfecare, a fost efectuată o măsurare a frecvenței suspensiilor prin intermediul oscilației. Acest lucru permite cartografierea atât a proprietăților elastice, cât și a celor vâscoase, cunoscute ca modul de stocare și Modul vâscosModulul complex (componenta vâscoasă), modulul de pierdere sau G'', este partea "imaginară" a modulului complex general al probei. Această componentă vâscoasă indică răspunsul de tip lichid sau defazat al probei măsurate. modul de pierdere.
Figura 2 prezintă spectrul de frecvențe între 10 Hz și 10-2 Hz. În conformitate cu măsurătorile vâscozității de forfecare deja discutate, se poate observa din nou o scădere a parametrilor reologici odată cu creșterea timpului de stocare. Modulul de stocare (G') este în general mai mare decât modulul de pierdere (G"), ilustrând un comportament al materialului dominat de solid în condițiile testate.
Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că se observă o încrucișare a modulului de stocare și a modulului de pierdere pentru suspensia stocată la 40°C timp de 75 de zile și că modulul de pierdere domină la frecvențe > 3 Hz. Acest lucru poate fi interpretat ca un posibil comportament dominat de vâscozitate pentru această probă în condițiile de măsurare date și poate indica faptul că stabilitatea la depozitare a suspensiilor este limitată. Cu toate acestea, pentru toate suspensiile depozitate pentru perioade mai scurte, modulul de pierdere este mai mic decât Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare pe întreaga gamă de frecvențe analizată.
Rezumat și perspective
Investigațiile reologice prezentate au arătat că culorile lichide prezintă un comportament de fluidizare prin forfecare. În plus, s-a putut observa că comportamentul de curgere al suspensiilor de ulei de rapiță și negru de fum se modifică odată cu creșterea timpului de depozitare, astfel încât valorile variabilelor reologice investigate scad. Această modificare poate fi observată atât în vâscozitatea de forfecare, cât și în Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare și de pierdere în funcție de frecvență.
Prin creșterea temperaturii de depozitare, îmbătrânirea a fost accelerată în suspensia de ulei de rapiță și negru de fum. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că alte mecanisme de îmbătrânire pot fi dominante din cauza temperaturii ridicate, care ar trebui clarificate prin investigații suplimentare.
Obiectivul acestor investigații a fost de a caracteriza suspensiile de ulei de rapiță și negru de fum. În plus, din punct de vedere aplicativ, este deosebit de interesantă prelucrabilitatea culorilor lichide depozitate la temperatura camerei și la o temperatură de 40°C în timpul turnării prin injecție.
Investigațiile au fost efectuate pe un sistem model. În cele din urmă, este necesar să se clarifice dacă se pot observa dependențe diferite temperatură-timp pentru diferite sisteme de culori lichide. Acest lucru va ajuta la determinarea dacă diferite temperaturi sunt relevante pentru îmbătrânirea artificială. De asemenea, ar putea fi posibilă Identify clase de culori lichide cu un comportament de îmbătrânire comparabil. Cercetările ulterioare ar trebui să includă, de asemenea, determinarea temperaturii maxime la care poate fi efectuată îmbătrânirea artificială.