رئولوژی سیالات و عملکرد افزودنی های بهبود دهنده خواص رئولوژیکی

نگار ابوالحسنی،کارشناسی ارشد شیمی

شرکت رنگ سازي تهران اورانوس

رفتار جریانی یکی از مشخصه های مهم یک پوشش مایع است، که جابجایی وخواص کاربردی آن را نمایان می سازد. عنصر کلیدی در توصیف رفتار جریانی ویسکوزیته η می باشد. برای اکثر سیستم ها، پارامتر ویسکوزیته ثابت نیست و وابسته به فاکتورهای متفاوتی می باشد. ویسکوزیته علاوه بر دما به تنش مکانیکی که می تواند مربوط به نحوه اعمال باشد وابسته است. در حقیقت رئولوژی یک نوع ارتباط درونی پیچیده بین ویسکوزیته و نیروهای برشی است.

رئولوژی یک سیستم پوشش با در نظر گرفتن موارد زیر تعیین می شود:

الف- بایندر ( جرم ملکولی و شیمی آن )
ب‌- نوع و میزان حلال و انحلال پذیری رزین
ج‌- درجه پیگمنت پذیری

افزودنی های رئولوژیکی

برای رسیدن به خواص رئولوژیکی مناسب، لازم است تا مقدار مناسب از افزودنی های رئولوژیکی متناسب با نوع پوشش مصرف گردند. در بیشتر موارد، این نوع افزودنی ها جهت بهبود خواص ضد ته نشینی در طول انبارداری و مقاومت شره در هنگام اعمال استفاده می شوند. نوع رفتار جریانی یا ویسکوزیته موجب کنترل جهت گیری های فضایی در پیگمنت های خاص مانند آلومینیوم و صدفی می گردد. در بسیاری از پوشش ها استفاده از چنین افزودنی هایی موجب تغییر کنترل شده رئولوژی سیستم در مقاطع مختلف تولید، انبارش و مصرف می شود. مکانیسم عملکرد آن ها دقیقا مشابه یکدیگر است. در فاز مایع، این افزودنی ها با ایجاد پیوند های هیدروژنی شبکه های سه بعدی تشکیل می دهند که با تنش تخریب می گردند و پس از بر طرف شدن تنش مجددا تشکیل شبکه شروع می گردد، تا به پوشش ویژگی تیکسوتروپ و سودوپلاستیک دهند.

در طول زمان انبارداری، پیگمنت ها و فیلرها در یک پوشش می توانند ته نشین شده و رسوب تشکیل دهند که گاهی به سختی باز می شوند. در حین اعمال روی سطح غیر افقی، رنگ حرکت کرده و در ضخامت های بالای فیلم رنگ، پدیده شره اتفاق می افتد. ویسکوزیته بالا در تنش کم می تواند هر دو مورد ته نشینی (رسوب) و شره را کاهش دهد و در دراز مدت باعث حداقل ته نشینی می گردد. به هرحال ایجاد خواص رئولوژیکی مطابق بالا ممکن است اثرات نامطلوبی نیز در پی داشته باشد؛ مانند عدم کف زدایی (عدم خارج شدن کف از سیستم) و اثرات نامطلوب روی خواص همترازی سیستم پوشش داشته باشد. حباب های هوا آرام تر به سطح آمده و همترازی سطح به هم بریزد. واضحا رفتار جریانی مطلوب از پارامترهای کاربردی تاثیر پذیر است.

رئولوژی پوشش

در مرحله کاربرد، ویسکوزیته وابسته به دما و فشار است. در بسیاری از موارد فشار نادیده گرفته می شود، ولی وابستگی ویسکوزیته به دما قوی و شناخته شده است.

پارامتر مهم و اصلی که مورد بحث قرار می گیرد، وابستگی ویسکوزیته به تغییر تنش است. برای کاربردهای تجربی، محدوده تنش نسبی بزرگی بایستی مورد توجه قرار گیرد. در طول فرایند تولید (باز شدن پیگمنت، مخلوط شدن و بسته بندی) و نحوه کاربرد (غلطک، قلم مو و اسپری)، پوشش در معرض تغییر تنش بالایی می باشد. در طول انبارداری و زمان بین اعمال و سخت شدن، تغییرات تنش به طور نسبی پایین است. تعیین و بررسی مشخصه رئولوژیکی یک سیستم با دستگاه ویسکومتر چرخشی بهترین نتیجه را می تواند داشته باشد. در همه تجهیزات با این نوع، مایع که مورد تست قرار می گیرد بین سطح ثابت و سطح متحرک تنش داده می شود. نیرو و سرعت چرخشی مشخصی در سطح در حال حرکت بر مایع مورد نظر اعمال می شود، که بستگی به مقاومت مایع در مقابل جریان(ویسکوزیته) دارد و این مقاومت اندازه گیری می شود. منحنی بدست آمده در نیروها و سرعت های متفاوت به عنوان " منحنی جریان"  شناخته می شود و نشان دهنده رابطه بین سرعت برشی γ (متناسب با سرعت چرخش) و تنش برشی τ(متناسب با نیروی به کار رفته) می باشد. بر اساس این پارامترها، ویسکوزیته طبق رابطه زیر بدست می آید :  η. γ = τ      

رفتار جریانی نیوتنی

ساده ترین رفتار جریانی که می تواند اتفاق بیفتد هنگامی است که ویسکوزیته مستقل از سرعت برشی است. رفتار نیوتنی تنها در مایعات ایده آل مانند آب، حلال های خالص و روغن های معدنی اتفاق می افتد. منحنی جریان به صورت یک خط مستقیم گذرنده از مبدا می باشد. شیب این خط ویسکوزیته است. بنابراین منحنی ویسکوزیته یک خط افقی صاف است و ویسکوزیته مستقل از سرعت برشی است؛ در هر سرعت برشی اندازه گیری صورت گیرد، توصیف کاملی از سیستم بدست می آید. عموما در سیستم های پوششی رفتار جریان نیوتنی مطلوب نیست. چراکه بدلیل بوجود آمدن کمترین تنش برشی در حین کار، پدیده شره پس از اعمال ایجاد خواهد شد.

رفتار جریانی سودوپلاستیک

رفتار جریانی که عموما در سیستم های پوشش مشاهده می شود، رفتار جریانی سودوپلاستیک است. در اینجا، ویسکوزیته با سرعت برشی رابطه معکوس دارد. با افزایش نیرو، ویسکوزیته کاهش می یابد. چنین مایعاتی نوعی "آستانه عملکرد" دارند و در سرعت برش های کم جریان نمی یابند و جریان تنها پس از رسیدن به نقطه "آستانه عملکرد" شروع می گردد. بنابراین منحنی جریان از مبدا عبور نکرده بلکه به بالا شیفت پیدا می کند. در مورد خواص کاربردی، این نوع از رفتار جریانی مزایایی دارد. در نیروهای برشی بالا، ویسکوزیته پایین و در نتیجه جابجایی در خط تولید و اعمال آسان می گردد. در تنش برشی پایین تر، برای مثال در مدت زمان انبارداری ویسکوزیته پوشش بالاست و پدیده ته نشینی پیگمنت ها به طور موثری کاهش و یا حذف می گردد. در نتیجه ای مشابه مقاومت به شره پس از اعمال روی سطوح عمودی بهبود می یابد.

بهر جهت، بالا بودن ویسکوزیته در سرعت برشی کمتر ممکن است اثرات نامطلوبی در جریان سطحی و خارج شدن حباب از فیلم رنگ تر اعمال شده داشته باشد. اعلام ویسکوزیته ای ثابت برای مواد سودوپلاستیک بی معنی است مگر آنکه سرعت برشی مربوطه نیز مشخص گردد. بنابراین اندازه گیری تک نقطه برای چنین موادی کم ارزش است؛ رفتار رئولوژیکی مواد با در نظر گرفتن تمام منحنی جریان( منحنی ویسکوزیته) نشان داده می شود.

 شکل (1) : مقایسه منحنی های رفتار جریانی

رفتار جریانی تیکسوتروپیک  

تیکسوتروپی رفتارهای جریانی را توصیف می کند که همانگونه که وابسته به سرعت برشی هستند، به زمان نیز وابستگی دارند. یک ماده سودوپلاستیک ویسکوزیته های متفاوتی را در مقابل تغییرات برشی نشان می دهد، اما این ویسکوزیته ها مستقل از زمان هستند. زمانی که یک ماده تیکسوتروپ در یک سرعت ثابت برش داده می شود، ویسکوزیته با افزایش مدت زمان اعمال برش کاهش می یابد. اگر برش ادامه نیابد، ویسکوزیته به مقدار اولیه برمی گردد. منحنی های ویسکوزیته و جریان مایعات تیکسوتروپ، عموما یک حلقه رفت وبرگشت نا منطبق را نشان می دهد. برای مثال ویسکوزیته پس از برش بر روی منحنی اولیه منطبق نمی شود و پایین تر از آن برگشت می کند. واضح است که اعلام یک مقدار مشخص مشخص برای ویسکوزیته در یک سرعت برشی برای ماده تیکسوتروپ صحیح نمی باشد و ویسکوزیته اندازه گیری شده بستگی به پیشینه مقدار برش اولیه دارد.


        
شکل (2) : منحنی های رفتار جریانی تیکسوتروپی

مرجع : BYK Chemie, Rheological Additives, Technical Information, RI1.    

نشريه پوشش هاي سطحي، شماره 38، صفحه 23، زمستان 1390

 

ارسال نظر
* نام شما:

ایمیل شما: (محرمانه)

تلفن شما: (محرمانه)

* پیام شما:
رتبه: بد            خوب

کد نمایش داده شده را تایپ نمایید:

تازه سازی