رئولوژی پوشش ها و رنگ ها

رئولوژی رنگ بر انبارداری، فرایند ساخت و همچنین خواص ظاهری رنگ اثر می گذارد که با استفاده از غلظت دهنده ها این خاصیت بهبود می یابد.

با دیسپرسیون رقیق پیگمنت و ایجاد جریان های توربولنت انرژی زیادی صرف آسیاب می شود. بنابراین با افزودن مواد غلظت دهنده به رنگ و اصلاح خواص فلوی خمیر آسیاب از اصراف انرژی جلوگیری می شود که نوع و مقدار آنها بر طبق ابزار آلات دیسپرسینگ انتخاب می شود و معمولا ً قبل از دیسپرس کننده ها به خمیر اضافه می گردند.

تنظیم ویسکوزیته باید به نحوی باشد که خواصی مثل فلو، ولینگ، شره، برس خوری، ضخامت و پشت پوشی بهبود پیدا کرده و در انبارداری از رسوب پیگمنت های سنگین جلوگیری شود. روش های مختلفی برای تنظیم رئولوژی وجود دارد که یکی از آنها افزودن غلظت دهنده های آلی و یا معدنی به پوشش می باشد.

برای فهم مکانیسم عمل غلظت دهنده ها باید پایه دانش رئولوژی داشته باشید بنابراین در اینجا مختصری بدان اشاره می شود.

رئولوژی و ویسکوزیته

رئولوژی یعنی علم تغییر شکل و رفتار جریان مواد تحت نیروی خارجی که همان مطالعه رفتار ویسکوزیته ی رنگ در شرایط مختلف است. کلمه رئو از ریشه یونانی به معنای جریان گرفته شده است و تعریف ویسکوزیته برابر با مقاومت مایع مایع در برابر تغییر شکل است که مقاومت کم یعنی ویسکوزیته ی پایین و مقاومت بالا یعنی وسکوزیته ی بالا.

جریان

جریان مایعات به دو قسمت لامینار و توربولنس تقسیم می شود.

جریان لامینار،فلوی لایه های نازک، موازی، معین و بدون اختلاط لایه ای است. از دید ریاضی جریان لامینار در عدم وجود جریان توربولنس اتفاق می افتد.

تحت نیروهای برشی بزرگ، جریانات توربولنسی و گردابی در سیستم های نیوتنی یا پلاستیکی ایجاد میشو که در این حالت مقدار زیادی از انرژی مصرفی برای رسیدن سیستم به فلو هدر می رود و نمی توان از انرژی، همانند جریان های لامینار استفاده نمود.

نیروی برشی، سرعت برشی و ویسکوزیته

برای بیان ابعاد رئولوژی معمولا ً از مدل دو دیواره استفاده می شود که مایع تحت فشار نیروی خارجی F روی سطح A حرکت میکند. نیروی برشی (t) طبق معادله زیر محاسبه می شود و جهت آن به موازات مرزهای سطح می باشد.

*نیروی برشی نیرویی است برای حرکت دو لایه مرتبط مایع نسبت به هم.

[t = F/A (Pa) = [N/M²

با اعمال نیرو لایه بالایی در جهت کشش نیرو به سمت جلو حرکت می کند و لایه ی زیرین را نیز با خود می کشد که همین طور سلسله وار لایه های پایینی شروع به حرکت می کنندو در انتها فقط لایه چسبیده به دیواره باقی می ماند که گرادیان نیروی برشی یا نرخ برش،D، برابر است با:

[D = n/h[s^-1

که h ضخامت لایه و n سرعت  لایه بالایی است.

برای نشان دادن سرعت برشی یا همان سرعت برشی تنش ، ازg به جای D استفاده می شود که مقادیر این نیرو برای پوشش ها و رنگ های معین در جدول 1 آمده است.

رابطه ویسکوزیته با t و D عبارت است از:

h = t/D[N.s/m²] = Pa.s

بنابراین ویسکوزیته، میزان مقاومت فلوی مایع در برابر تغییر شکل است و نه تنها به نیروی برشی و سرعت برشی بلکه به فشار، دما، زمان بارگذاری (t) و نیروی برشی آستانه (t₀) بستگی دارد و تابعی از آنها می باشد.

(h = f (D, t,t₀,t, T,P

پارامترهای اثر گذاری دیگر عددی اسیدی، غلظت، نیروهای مغناطیسی و الکتریکی می باشد.

جدول 1- نیروی برشی فرایندهای مختلف در رنگ و پوشش

منحنی ویسکوزیته

با استفاده از منحنی ویسکوزیته، رفتار رئولوژیکی پوشش را تحت شرایط مختلف می توان نشان داد که در منحنی رفتار ماده، ویسکوزیته تابعی از نیروی برشی است.

برای رنگهای متداول محدوده ی ویسکوزیته از 1 تا هزاران Pa.s و سرعت نیروی برشی ازs^-1 0،001 تاs^-1 100000 می باشد.

1-رفتارنیوتنی

اگر ویسکوزیته تحت فشار و دمای مشخص مستقل از نیروی برشی باشد و منحنی آن یک خط صاف گردد ماده، مایع نیوتنی می باشد و یکبار اندازه گیری ویسکوزیته کافی است

t = h.D

آب و حلال ها مایعات نیوتنی می باشند که با افزایش سرعت برشی و افزایش فلو، ویسکوزیته ثابت می ماند.

2-رفتار پلاستیکی و شبه پلاستیکی(Pseudo plasticity and plasticity)

برای مشخص شدن پروفایل رئولوژی ماده باید ویسکوزیته مواد را در نیروهای برشی مختلف اندازه گیری کرد که بسیاری از رنگها و لاکها به نسبت کم یا زیاد رفتار شبیه پلایتیکی دارند (کاهش ویسکوزیته). در توضیح این پدیده باید گفت که محل و موقعیت مواد تشکیل دهنده ی رنگ تحت تأثیر نیروی برشی تغییر می کند. مثلا با افزایش سرعت برشی (یا تنش برشی) جهت گیری مولکول های پلیمر و یا ذرات دیسپرس شده تغییر کرده و در موازات هم قرار می گیرند و یا اینکه ذرات بهم چسبیده از هم جدا شده و لوپ های موجود بین مولکول های بزرگ از بین می رود.

رفتار شبه پلاستیکی نوعی از ویسکوزیته ساختاری است که ویسکوزیته نقطه شروع ندارد و در طول فرایند اندازه گیری، شروع می شود (نقطه ی مقابل، رفتار پلاستیکی). در رفتار پلاستیکی ماده ی الاستیک بع از اعمال نیروی مشخص t₀ و گذشتن از نقطه تسلیم در دما و فشار مشخص جریان می یابد که جوهرهای چاپ، رنگهای اموسیون جامد و رنگهای امولسیون مایع غلیظ شده با غلظت دهنده ی سلولزی نمونه هایی از مواد فوق هستند.

جریان پلاستیکی دو نوع مختلف منحنی جریان دارد:

*سیستم Bingham که اساس آن ضریب ویسکوزیته و نقطه تسلیم می باشد رفتار فلو را در حالتی که هیچ تحرکی در زیر نقطه تسلیم وجود ندارد بررسی می کند که در این حالت در بالای نقطه تسلیم، سیستم همانند مایع نیوتنی عمل می کند.

*رابطه Casson که نشانگر رابطه خاصی بین نیروی برشی، سرعت برشی و نقطه تسلیم است و ریشه دوم این مقادیر در معادله قرار می گیرد و منحنی فلو را راحتر تعریف میکند.

3-تیکسوتروپی

اگر در دما، فشار معیین و تحت نیرو یا سرعت برشی ثابت با گذشت زمان ویسکوزیته کاهش یابد و با یرداشتن نیرو ماده به حالت اولیه خود بازگردد رفتار تیکسوتروپیک خواهد بود. بنابراین تیکسوتروپی رفتار وابسته به زمان است که با تکان دادن ماده ساختار رئولوژیکی می شکند و با حذف نیرو دوباره به حالت اولیه باز می گردد.

روش بازسازی مواد رنگی تعیین کننده زمان برگشت است که با توجه به نوع مواد می تواند ثانیه ای یا چندین ماه طول بکشد. فاصله بین منحنی رفت و برگشت شانگر مقدار تیکسوتروپی سیستم می باشد و اگر این لوپ بسیار کوچک یا اصلا وجود نداشته باشد بازگشت کامل اتفاق می افتد.

در رنگهای امولسیونی داشتن درجه خاصی از تیکسوتروپی لازم است تا با تبادل صحیح به خواصی چون عدم شره، رسوب، فلو و لولینگ رسید.

4-Dilatancy

اگر دما، فشار معین، تحت نیرو یا سرعت برشی ثابت و یا با افزایش سرعت برشی با گذشت زمان ویسکوزیته افزایش یابد ماده رفتار دیلاتانتی خواهد داشت که این رفتار در نقطه مقابل رفتار شبه پلاستیکی قرار دارد و معمولا ً در سوسپانسیونهای خیلی غلیظ همانند خمیرهای آسیاب پایه آبی اتفاق می افتد.

اندازه گیری ویسکوزیته

با روشهای مختلفی مثل کاپ می توان ویسکوزیته را اندازه گیری کرد که در این روش کاپ با حجم مشخصی از رنگ پر شده و زمان لازم برای بیرون آمدن رنگ اندازه گیری می شود. کاپ فقط زمان بیرون آمدن را اندازه گیری می کند و رفتار رئولوژیکی ماده را نشان نمی دهد. کاپ های استانداردی چون Din (آلمان) یا فورد کاپ (آمریکا) و ایزو کاپ (جهانی) وجود دارد و از این کاپ ها برای اندازه گیری ویسکوزیته ی مایعات نیوتنی می توان استفاده کرد.

برای تعیین منحنی ویسکوزیته مایعات غیر نیوتنی می توان از دستگاه های دیگری چون ویسکومتر چرخشی استفاده کرد. ابزار متداول دیگر در صنعت رنگ، ویسکومتر Cone and plate می باشد که در این روش تصویر روشنی از رفتار رئولوژیکی ماده بدست می آید در طراحی های جدید، Cone ثابت و Plate می چرخد که مزیت اصلی این رئومتری استفاده از میزان کم ماده و ثابت نگه داشتن نیروی برشی نمونه در طول اندازه گیری است.

اصطلاحات رئولوژیکی

تغییر شکل (Deformation): تغییر در حجم یا شکل ماده (کیفی)

ویسکوزیته دینامیک : 1) ضریب ویسکوزیته برای جریان نیرو (مواد ثابت برای مایعات نیوتنی)

2) ویسکوزیته برشی تحت نیرو یا سرعت برشی معین (برای مواد غیر نیوتنی و پلاستیکی)

الاستیسیته : خصوصیتی از ماده که با ذخیره کردن انرژی اعمالی بعد از برداشتن نیرو سریعا ً به حالت اول خود بر می گردد.

نقطه تسلیم : کمترین میزان نیروی برشی لازم برای ایجاد جریان در ماده، در بالای این نقطه مواد رفتار پلاستیکی دارد.

منحنی جریان : نمودار رابطه بین نیروی برشی و سرعت برشی در جریان های لامینار یا رفتار ماده پلاستیک در بالای نقطه تسلیم

ویسکوزیته سینماتیک : خارج قسمت ویسکوزیته دینامیک و دانسیته

جریان لامینار : جریانی که در آن هیچ اثر توربولنسی وجود ندارد.

ویسکوزیته ساختاری : رفتار فلوی مواد که با افزایش نیرو یا سرعت برشی ویسکوزیته کاهش می یابد. ویسکوزیته ساختاری هیچ اطلاعاتی در مورد رفتار وابسته به زمان ماده نمی دهد.

رنگ ساختاری : این رنگها ژل مانند می باشند که در اعمال با غلطک یا برس ساختارشان شکسته و بعد از قطع نیرو دوباره باز آرایی می کنند هنگامی که بین قطع نیرو و برگشت به حالت اول تأخیری وجود داشته باشد رنگ تیکسوتروپیک نامیده می شود.

جریان توربولنت : انحراف از حالت لامینار باعث بوجود آمدن توربولنسی می شود که معمولا ً در نیروهای برشی بالا این اتفاق می افتد

ویسکوالاستیسیتی : وجود همزمان حالت ویسکوز و الاستیک را میگویند که این مواد قسمتی از انرژی تغییر حالت را ذخیره می کنند

ویسکوزیته :

1)کیفی: رفتار فلو مواد تحت نیروی برشی (مواد ویسکوز موادی هستند که ویسکوزیته بالایی دارند).

2)ممکن است بیانگر ضریب ویسکوزیته مثل ویسکوزیته دینامیکی h باشد

3)ممکن اسن معادله ویسکوزیته باشد

منحنی ویسکوزیته : نمودار ویسکوزیته برشی در برابر نیرو یا سرعت برشی

جهت خرید بنتون ها اینجا کلیک کنید