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油漆和涂料流变学研究

油漆和涂料的用途非常广泛。除保护表面免受各种环境影响外(例如 UV 辐射、空气湿度、化学物质等),主要用于室内外装饰或增强功用。从生产到最终应用,如黏合剂(树脂)、溶剂、颜料、填充剂和添加剂等原材料应当保持均匀混合。此外,它们在输送过程和存储期间以及使用刷子、滚筒、喷枪等进行施工后,需要保持稳定。因此,油漆和涂料的流变测量对于评估其质量至关重要。

油漆和涂料的流变特性

油漆和涂料的流变特性在许多情况下都会影响其性能: 

生产和应用过程中的输送和流动特性

液体原材料以及油漆和涂料成品在生产和应用过程中均通过管道输送。了解不同 剪切速率 下的流动特性,对于顺利设计出必要的设备至关重要。

涂布、刷涂、喷涂和滚压工艺后的特性(流平和流挂特性、湿膜厚度)

施工完成后,油漆和涂料适当的流平和流挂特性对于最终效果至关重要。为了确保最佳的流平性能并避免流挂,黏度等流变参数不应太高或太低。因而,要对材料依赖于时间的流变特性进行平衡,以获得期望效果。这些特性通常称为 触变特性

静态下的分离和沉淀特性(长期储存稳定性)

如果分散的颜料和填充剂不能保持悬浮,那么它们会在容器底部形成一层沉积物。这将最终导致油漆和涂料不均匀。

采用流变测试研究油漆和涂料

流变测试有助于:

  • 计算 剪切速率 ,该速率在应用过程中会影响油漆和涂料样品
  • 评估油漆和涂料在应用后其 黏度 值是否符合要求
  • 测量油漆和涂料的长期储存稳定性 

圆珠笔墨水

圆珠笔是世界上使用最广泛的笔 - 每天制造和销售数百万只。它们非常简单漂亮,通过在笔尖的金属球上释放墨水来工作。 这就是圆珠笔。但是,它们并非始终具有稳定的性能。有时墨水停止流出,而其他时候墨水不均匀地堆积在金属球上,从而导致在页面和手指上留下污痕。 

这些至少受几个因素影响。包括滚珠和球窝组件的精度及其 摩擦 性能,还有墨水的流变和 摩擦 特性。例如,如果因剪切或温度因素使墨水的 黏度 降低,则更多的墨水会流过球窝并流到滚珠上。滚珠球窝系统出现机械疲劳也会导致墨水流量增加或减少。

圆珠笔墨水的摩擦学测试

测量圆珠笔墨水的流变性可以了解其在典型操作条件下的流动特性。另外,滚珠球窝系统的摩擦和磨损性能可以通过 摩擦特性 测量来研究。下图显示了两种不同 黏度 的墨水样本在金属/墨水/纸张系统中的表现,以此模拟用圆珠笔在纸张上书写时的墨水性能。

对于金属/墨水/纸张系统,测得的摩擦系数与金属在纸张上的滑动速度呈函数关系。当墨水在金属和纸张表面之间形成流体膜时,摩擦系数值最小。理想情况下,这应该由书写速度来控制,并且以足够薄的薄膜来输送足够的墨水,以使字体保持清洁,但又要足够厚以防止球窝磨损。

此测试需要使用 流变仪 ,并配备 三板球式摩擦测量装置。 

气相二氧化硅

气相二氧化硅是一种密度非常低的高表面积材料,通常被用作填充剂、增稠剂和流动助剂等。通过改变所使用的原材料以及生产过程,气相二氧化硅的性能也可以针对具体的最终用途进行定制。因此,分析和质量控制对于确定产品是否满足预期要求至关重要。粉体流变测量可以提供有关粉末(如气相二氧化硅)性能的有用信息。例如,内聚强度描述了粉末颗粒之间的结合力,而脱气测量则显示空气在粉末样品中可以保留多长时间。脱气是粉末是否可以通过气动轻松输送的重要指标。

气相二氧化硅的流变测试

脱气测量可以在配备粉体测量单元的流变仪上进行。首先,粉体在规定的时间内完全流化,然后停止气流,并以非常短的时间间隔多次测量粉体测量单元内部压力。当信号达到恒定值时,可以认为空气已从粉体样品中完全逸出。

该测试需要使用 流变仪 进行粉体流变测量

粉末涂料 I

粉末涂料是一种无排放的液态涂料替代品,因为它们不含有任何溶剂。粉末涂料通常采用静电涂布。然后,通过在炉内熔化各个粉末涂料颗粒而形成一层薄膜。成膜所需的时间和温度十分重要,因为这两个参数极大地影响了生产设备的规模,进而影响加工成本。因此,需要开发成膜所需温度更低、时间更短的粉末涂料。

粉末涂料流变测试

为了确定粉末涂料的固化特性,可使用 振荡 流变仪进行温度测试。一次 振荡测试 可同时确定黏性特性(由损耗模量 G”描述),以及弹性特性(由 储能模量 G’表示)。因此,固化特性可由恒定测试温度(等温测试)下的时间依赖性或特定温度范围内的温度依赖性进行确定。

该测试需要使用 流变仪 并配备 帕尔贴温控系统

这只是汽车行业中常用的流变学研究之一。

粉末涂料 II

粉末涂料是一项不断发展的技术,最初是为了创造更具弹性的涂料而开发的;然而,粉末涂料也因其更加环保、无溶剂的工艺而得到广泛应用。加工涉及多个步骤,例如流化和/或气动输送,这些步骤受粉末流变特性的影响很大。因此,通过流变测量可以了解颗粒质量以及某种粉末是否适合用作粉末涂料。粉末必须具有合适的熔融流变性(黏度和固化特性),但是同时,它必须可流化并且具有良好的气体保持性,以便于运输。增强粉末的流动性和流化性的一种方法是添加少量的 气相二氧化硅

粉末涂料流变测试

可以使用配备粉体测量单元的流变仪来检查粉末质量;例如,通过执行压力降测量,可以显示完全流化样品所需的流速,参见下图。粉末是否适合气动运输也可以利用粉体测量单元进行脱气测量来确定。还可以在各种剪切条件下进行黏度测量,从而可以清楚地了解运输过程中可能会遇到的问题。

该测试需要使用 流变仪 进行粉体流变测量

面漆

面漆通常是最后一层。在大多数情况下,它用于使表面看起来美观有光泽,并保护表面不受天气条件和其他因素的影响。为了在施工后不产生表面流挂或出现不需要的刷痕,面漆需要在恰当的时机恢复其结构;这种恢复既不能太慢,也不能太快。因此,面漆的一个重要质量因素就是结构重建的时间依赖性,该特性还影响表面的流平和流挂特性。在某些情况下,这种结构恢复可以使用流变术语 触变性进行描述。

面漆流变测试

在流变学中, 触变行为 定义如下:样品在具有恒定 剪切负荷, 的测试间隔期间出现 结构强度 下降,以及在静止的后续间隔期间进行结构完全重建。该行为可以通过进行 3 段 触变性  测试,在旋转 或 振荡 测试环境下测定。测试程序通过以下三个测量段模拟应用过程:

  1. 静态段:通过预设极低的剪切负荷,评估静态结构。
  2. 负荷段:在恒定且较高的剪切负荷下,评估应用过程中的结构分解行为。
  3. 结构恢复段: 评估应用后随着时间推移的结构重建情况。预设的测量条件与静态段中的条件是完全一样的。

该测试需要使用配备 帕尔贴温控系统的 流变仪 。

这只是汽车行业中常用的流变学研究之一。

墙面漆

油漆质量在生产和应用中都非常重要。理想的墙面漆产品必须可搅拌、可混合、可分散,并且可泵送和可流动。根据不同的应用,墙面漆需要可涂布、可刷涂、可滚涂、可浇注或可喷涂。另一个品质因子是油漆在涂抹后的流平和流挂特性。理想情况下,内部结构应在适当的时间周期内恢复。在此期间,也应该有足够的时间进行除气。通常表面要求光滑亮泽,没有任何液滴、飞溅或其他不均匀的情况。

墙面漆流变测试

可用的流变测试数量不断增加,尤其是对于研究和开发领域的用户以及质量和过程控制应用。流变仪可用于评估各种现象,例如确定静态结构强度时的 屈服点 、流动状态下的 剪切稀释性 ,以及分析应用后内部结构恢复时间依赖性时的 触变性 。

在 剪切速率 提高时,大多数油漆都呈现 剪切稀释 流动行为,同时 黏度 降低。因此,搅拌越快, 黏度越低。该行为可通过 旋转测试进行测量。

该测试需要使用配备 帕尔贴温控系统的 流变仪 。