HAAKE流變儀和LUM穩(wěn)定性分析儀

在油墨涂料行業(yè)的應(yīng)用

摘要：油墨涂料的配方組成，決定了產(chǎn)品的流動(dòng)特性，施工工藝和產(chǎn)品穩(wěn)定性，影響最終產(chǎn)品的貨架期，施工特性以及未來(lái)市場(chǎng)上的商業(yè)聲譽(yù)。運(yùn)用HAAKE流變儀和LUM穩(wěn)定新分析儀對(duì)配方的流動(dòng)行為，分散行為進(jìn)行表征，可以充分研究油墨涂料的觸變行為，流動(dòng)行為，屈服行為，拉伸特性，固化行為，分散特征和體系穩(wěn)定性，為產(chǎn)品的配方優(yōu)化，施工特性和產(chǎn)品貨架期提供更有力的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：油墨涂料、流動(dòng)性、穩(wěn)定性、HAAKE流變儀、LUM穩(wěn)定性分析儀

油漆和涂料是各種成分的復(fù)雜混合物,如顏料、粘合劑、溶劑以及消泡劑、固化劑和分散劑等添加劑。每種成分或添加劑在決定油漆整體質(zhì)量方面都有特定的的作用。這些成分或者添加劑決定了油漆的附著力，流平，強(qiáng)度，光澤，穩(wěn)定性，粒度，耐久性，抗沖擊性等性能。油漆被認(rèn)為是高度分散的體系，通常顯示復(fù)雜的流動(dòng)行為。

在整個(gè)貨架期內(nèi)，油漆需要耐受不同的剪切速率和剪切環(huán)境。在儲(chǔ)存和運(yùn)輸時(shí)，油漆將經(jīng)歷低水平的剪切（小于1s^-1），同時(shí)為了防止相分離，配方需要顯示高或者固體般的粘度和大的屈服應(yīng)力數(shù)值。在加工過(guò)程中，泵送、混合和輸送又需要配方顯示合適的中高剪切速率下的剪切粘度（10~10001s^-1）。最后，在施工過(guò)程中，刷牙、滾壓、噴涂，油漆將受到高剪切速率的影響（大于100s^-1），預(yù)期其表現(xiàn)為低粘度，自由流動(dòng)的液體。此時(shí)，簡(jiǎn)單的單點(diǎn)粘度測(cè)量，無(wú)法完全捕獲描述的復(fù)雜流動(dòng)行為。因此，需要使用一臺(tái)HAAKE哈克流變儀來(lái)表征配方的整體性能。

油墨是一個(gè)典型的分散體，穩(wěn)定性與配方的優(yōu)化，工藝調(diào)整，產(chǎn)品貨架期密切相關(guān)。依據(jù)ISO/TR13097穩(wěn)定性表征指導(dǎo)原則，需要對(duì)分散體系的相分離，凝聚，絮凝，上浮，沉降，聚并，變稠，纏繞，滲出等不穩(wěn)定行為進(jìn)行測(cè)量。利用LUM獨(dú)特的STEP技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)配方體系的失穩(wěn)過(guò)程研究，穩(wěn)定性分析，界面遷移速度，保質(zhì)期預(yù)測(cè)，最終對(duì)產(chǎn)品的配方體系，質(zhì)量一致性和貨架期提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

因此，哈克流變儀和LUM穩(wěn)定性分析儀，是一對(duì)物性表征手段完美的組合。作為兩家世界頂級(jí)的儀器制造商，為油墨涂料行業(yè)提供專業(yè)的技術(shù)咨詢和持續(xù)的技術(shù)服務(wù)。

一 哈克流變儀在油墨行業(yè)的應(yīng)用

流變學(xué)是針對(duì)物體的流動(dòng)和變形所展開(kāi)的研究科目。對(duì)于油漆、涂料及油墨來(lái)說(shuō)，流變性能對(duì)其研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。例如，油漆具備良好的剪切變稀性能可以使得涂刷更方便；涂料具有一定的屈服應(yīng)力則可以保證其在涂刷之后不會(huì)產(chǎn)生流掛現(xiàn)象；彈性和粘性的特性則會(huì)極大的影響涂料滾刷和噴塑的工藝；墨水具有良好的觸變性則可以使中性筆發(fā)揮出最佳的書(shū)寫(xiě)性能；無(wú)溶劑粉末涂料通過(guò)UV紫外線照射可實(shí)現(xiàn)快速、節(jié)能的交聯(lián)方法等等。哈克旋轉(zhuǎn)流變儀\粘度計(jì)配合各種附件可以提供給客戶最完備的涂料油墨行業(yè)流變性能解決方案。

1.1流動(dòng)（粘度）曲線

通過(guò)哈克旋轉(zhuǎn)流變儀\粘度計(jì)，可以方便快捷的測(cè)定樣品的流動(dòng)（粘度）曲線，以表征剪切速率對(duì)樣品粘度的影響，幫助客戶分析樣品在不同應(yīng)用工藝下的流變性能。如下圖所示，樣品在低剪切速率下具備高粘度可以保證其在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中不發(fā)生沉降，在高剪切速率下具備良好的剪切變稀性能則可以更容易的涂刷。

圖1剪切速率對(duì)剪切粘度的影響

1.2屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力對(duì)于涂料油墨具有十分重要的應(yīng)用意義。如圖2所示，沒(méi)有屈服應(yīng)力的涂料非常容易產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)就是墻面涂刷后容易產(chǎn)生厚度不均的情況，而具有屈服應(yīng)力的樣品則可以有效地防止流掛現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于中性筆芯中的油墨來(lái)講，屈服應(yīng)力太大不易書(shū)寫(xiě)，太小則會(huì)導(dǎo)致漏墨。通過(guò)哈克旋轉(zhuǎn)流變儀可以使用控制應(yīng)力的模式來(lái)準(zhǔn)確的測(cè)量樣品的屈服應(yīng)力（圖3）。

圖2有無(wú)屈服應(yīng)力的差別  

 圖3屈服應(yīng)力測(cè)試

1.3觸變性

觸變性是表征樣品由于剪切作用造成粘度降低的自行恢復(fù)能力。通過(guò)測(cè)量觸變性，我們可以了解樣品的流平性、實(shí)際應(yīng)用和加工情況。例如，用戶總是希望油漆的涂刷非常流暢，涂刷完畢后又希望其快速恢復(fù)，避免漆膜松垮。通過(guò)哈克旋轉(zhuǎn)流變儀既可以通過(guò)測(cè)量油漆觸變環(huán)的面積來(lái)表征其觸變性的大?。▓D4），又可以通過(guò)小幅振蕩-高速剪切-小幅振蕩的模式來(lái)測(cè)量其恢復(fù)時(shí)間（或一定時(shí)間后的恢復(fù)程度），如下圖5所示。

圖4觸變環(huán)測(cè)量方法及曲線

圖5三段式觸變性測(cè)量方法及曲線

1.4粘彈性

粘彈性是流體的粘性及彈性的綜合性質(zhì)。對(duì)于涂料油墨來(lái)講，其彈性模量G'和粘性模量G"的大小或者轉(zhuǎn)變規(guī)律則會(huì)對(duì)其的配方研究和應(yīng)用性能產(chǎn)生非常大的影響。哈克旋轉(zhuǎn)流變儀可以通過(guò)應(yīng)力掃描、頻率掃描、溫度掃描或者時(shí)間掃描或者蠕變-恢復(fù)等模式來(lái)方便、準(zhǔn)確的測(cè)量樣品的粘彈性。如圖6所示，應(yīng)力掃描模式可以確定樣品的線性粘彈區(qū)，頻率掃描模式可以表征樣品粘彈性模量的大小，蠕變-恢復(fù)模式則可以給出樣品的零剪切粘度、屈服應(yīng)力、粘性\彈性的比率等重要信息。

圖6粘彈性測(cè)試的應(yīng)力掃描和頻率掃描

1.5固化性能

哈克流變儀配備UV紫外光源或者輻射對(duì)流爐CTC，可以幫助客戶方便的研究樣品的固化過(guò)程，采用Rheonaut紅外-流變聯(lián)用模塊還可以幫助客戶在分子層面上分析樣品固化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)變化。

圖7油墨涂料的固化行為表征

1.6拉伸行為測(cè)量

流體的拉伸性能對(duì)油漆、涂料及油墨工業(yè)有著重要的研究?jī)r(jià)值，例如涂敷流動(dòng)、特殊印刷工藝、壓縮流動(dòng)等。同剪切流動(dòng)相比，許多樣品的拉伸流動(dòng)會(huì)顯示不同的反應(yīng)，哈克CaBER1 拉伸流變儀可以幫助客戶分析流體細(xì)絲的細(xì)化和斷裂，用于檢測(cè)懸浮液、乳狀液、粘合劑等樣品且操作簡(jiǎn)便。CaBER1 既可以用于分析測(cè)試，也可以用于質(zhì)量控制。

圖8拉伸流變研究

1.7油墨行業(yè)哈克流變儀配置推薦

1.7.1質(zhì)量控制\生產(chǎn)或技術(shù)支持部門(mén)

HAAKEViscotester IQ/Air 智能流變儀主機(jī)+雙狹縫低粘度轉(zhuǎn)子+軟件+半導(dǎo)體同軸圓筒溫控

選配：25mm尺寸同軸圓筒溫控

1.7.2研發(fā)部門(mén)

HAAKEMars IQ/Air 高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀或者M(jìn)ARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉(zhuǎn)子+軟件+半導(dǎo)體同軸圓筒溫控+平椎板測(cè)量系統(tǒng)

選配：根據(jù)研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉(zhuǎn)子

1.7.3高端研發(fā)或者紫外固化

MARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉(zhuǎn)子+軟件+半導(dǎo)體同軸圓筒溫控+平椎板測(cè)量系統(tǒng)

選配：根據(jù)研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉(zhuǎn)子

紫外固化單元

NicoletIS50紅外光譜儀

二、LUM穩(wěn)定性分析儀在油墨行業(yè)的應(yīng)用

LUM系列穩(wěn)定性分析儀擁有全球獨(dú)家專利的STEP技術(shù)—空間和時(shí)間透光率掃描技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的消光/透光率檢測(cè)方法在單次只能讀取樣品某個(gè)點(diǎn)位置的消光/透光率信息，STEP技術(shù)可以單次就記錄下整個(gè)樣品管所有位置的消光/透光率信息。LUM有靜置和離心加速兩個(gè)系列的穩(wěn)定性分析儀，可在樣品靜置或離心加速的同時(shí)，設(shè)置任意時(shí)間長(zhǎng)度的掃描間隔（最低可每秒鐘掃描一次）對(duì)樣品進(jìn)行透光率變化的檢測(cè)，由此可以實(shí)現(xiàn)樣品任意位置透光率隨時(shí)間變化的記錄。通過(guò)每個(gè)樣品獨(dú)特的透光率指紋圖譜，可以對(duì)樣品的分離行為和過(guò)程分析，得到樣品的不穩(wěn)定性指數(shù)，界面遷移速度，顆粒速度和分布，粒度和分布等定量分析。這些定性和定量的結(jié)果非常適合油墨，涂料等分散體的穩(wěn)定性表征，最終實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計(jì),現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化，生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制及產(chǎn)品保質(zhì)期/貨架期預(yù)測(cè)等任務(wù)。

圖9STEP技術(shù)

此外，LUM系列穩(wěn)定性分析儀可以實(shí)現(xiàn)多樣品測(cè)試，最多可以同時(shí)測(cè)試12個(gè)樣品。并且有溫度控制模塊，4-60℃的溫控范圍可以滿足穩(wěn)定性測(cè)試的常規(guī)溫度條件。

2.1分散體狀態(tài)變化的機(jī)理

分散體的穩(wěn)定性取決于諸多相關(guān)的物理，物理化學(xué)及化學(xué)參數(shù)，因此其性質(zhì)是復(fù)雜的。穩(wěn)定性會(huì)受如下因素的影響：

1. 分散相的質(zhì)量或體積濃度（如：空間均一性，稀釋或濃縮）；
   

2. 連續(xù)相的狀態(tài)（如：密度，黏度，表面張力，化學(xué)勢(shì)，溶劑）；
   

3. 分散相的狀態(tài)（如：粒徑和分布，形狀，顆粒形變，顆粒表面結(jié)構(gòu)）；
   

4. 顆粒/液滴間相互作用（如：靜電和范德華力，空間阻力）；
   

5. 分散相和連續(xù)相間相互作用（如：潤(rùn)濕性，界面張力，表面和流變學(xué)，溶解性，可溶性，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成）。
   

以上種種因素（包括但不限于）的影響，都會(huì)讓一個(gè)分散體的狀態(tài)出現(xiàn)上浮，沉降，團(tuán)聚，聚并，奧斯特瓦爾德成熟，，相反轉(zhuǎn)等各種變化。LUM穩(wěn)定性分析儀正是基于對(duì)這些失穩(wěn)過(guò)程的追蹤測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不穩(wěn)定性的定量檢測(cè)。

圖10分散體狀態(tài)的改變

2.2分離行為和過(guò)程分析

本例中，比較同一個(gè)涂料樣品在不同溫度條件下沉降行為的不同。

圖11溫度對(duì)沉降行為的影響

當(dāng)樣品在25℃時(shí)，出現(xiàn)區(qū)域沉降，即整體沉降的過(guò)程；而樣品在45℃時(shí)，出現(xiàn)多分散沉降，即顆粒按照不同速度沉降的過(guò)程。結(jié)合樣品本身的屬性，可以推測(cè)在25℃時(shí)，該樣品的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較好地承托了顆粒；而在45℃時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)崩塌，顆粒沒(méi)有被很好地包裹在結(jié)構(gòu)中，因此更不穩(wěn)定。

2.3穩(wěn)定性比較

A．本例中，對(duì)3款油墨樣品的沉降圖譜進(jìn)行展示，并做不穩(wěn)定數(shù)值的定量比較

藍(lán)色水性油墨

紅色水性油墨

 紅色溶劑型油墨

圖123個(gè)油墨樣品的圖譜和樣品管對(duì)比

圖133個(gè)油墨樣品的不穩(wěn)定性指數(shù)

從透光率圖譜來(lái)看，透光率變化的劇烈程度從大到小依次是11A-紅色溶劑型油墨＞2A-藍(lán)色水性油墨＞10A-紅色水性油墨；從不穩(wěn)定性指數(shù)排名來(lái)看，從最不穩(wěn)定到穩(wěn)定的樣品依次是11A-紅色溶劑型油墨＞2A-藍(lán)色水性油墨＞10A-紅色水性油墨。

相對(duì)于傳統(tǒng)靜置觀察時(shí)間慢，又無(wú)法定量比較的方法，LUM穩(wěn)定性分析儀可以在很短的時(shí)間內(nèi)即可對(duì)樣品進(jìn)行快速的穩(wěn)定性排名。

B．本例中，比較3款木材防腐劑涂料的不穩(wěn)定性指數(shù)隨時(shí)間的變化

圖143個(gè)木材防腐劑涂料的不穩(wěn)定性數(shù)值隨時(shí)間的變化

LUM不僅可以給出不穩(wěn)定性數(shù)值，還能給出不穩(wěn)定性數(shù)值隨時(shí)間的變化。一方面在實(shí)驗(yàn)初期就可以短時(shí)間內(nèi)衡量穩(wěn)定性，另一方面又可避免樣品在前期穩(wěn)定而在長(zhǎng)期存放過(guò)程中失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4界面分層速度和界面位置的追蹤

A．本例中，比較含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的界面沉降行為

圖15-1含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的界面沉降位置隨時(shí)間的變化及界面沉降速度

圖15-2含不同添加劑原料的氧化鋯陶瓷墨水的沉降層厚度

LUM穩(wěn)定性分析儀可以對(duì)分散體進(jìn)行詳細(xì)的界面追蹤，可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮液的沉降，乳液的上浮，懸浮乳液等復(fù)雜分散體的分離和失穩(wěn)進(jìn)行表征。

B．本例中，比較攪拌和球磨2種不同分散法對(duì)涂料穩(wěn)定性的影響

圖16同一樣品在不同分散條件下的圖譜差異以及界面沉降速度

從透光率圖譜的變化來(lái)看，兩個(gè)樣品均是區(qū)域沉降的過(guò)程。其中普通攪拌分散的色漿，其譜線的間距在實(shí)驗(yàn)初期就變得較寬，說(shuō)明沉降較快；后期譜線的間隙變密，出現(xiàn)了沉降壓縮。從兩個(gè)樣品界面沉降的速度比較，球磨分散后的樣品沉降速度更慢一些。

2.5平均透光率

本例中，比較2個(gè)透明水性涂料的平均透光率差異

圖172個(gè)透明水性涂料的平均透光率差異

LUM采用的STEP技術(shù)，即空間和時(shí)間透光率掃描技術(shù)，可以給出某個(gè)任意時(shí)刻樣品所有位置的平均透光率信息。一方面，樣品的平均透光率可以比較濁度/透明度，濃度差異；另一方面平均透光率隨時(shí)間變化慢的樣品，其穩(wěn)定性也較好。

2.6顆粒表征

本例中，比較3個(gè)涂料樣品中顏料顆粒的沉降速度和分布

圖183款有機(jī)顏料的速度分布

LUM系列中的的LUMiSizer型號(hào)，采用光照離心沉降的粒度測(cè)試方法，還可以在不需要提供任何材料參數(shù)的情況下，給出顆粒的遷移速度和速度分布。

B本例中，比較含不同添加劑原料的陶瓷墨水的粒度和分布

圖19粒度分布和中值粒徑

LUM系列中的的LUMiSizer型號(hào)，采用光照離心沉降的粒度測(cè)試方法，在已知參數(shù)的情況下還可以給出顆粒的粒徑和分布。

三、總結(jié)

在我做流變儀的推廣和銷售過(guò)程中，也常常會(huì)遇到客戶咨詢穩(wěn)定性分析的問(wèn)題，比如運(yùn)輸和儲(chǔ)存的時(shí)候，漿料或者乳液的穩(wěn)定性怎么表征。根據(jù)ISO/TR13097穩(wěn)定性表征指導(dǎo)原則，流變儀提供的數(shù)據(jù)，比如零剪切粘度，屈服應(yīng)力，小形變條件下的彈性模量，這些數(shù)據(jù)可以間接的表達(dá)配方體系的穩(wěn)定性，而且與LUM穩(wěn)定性分析儀得到的相對(duì)比較結(jié)果一致。但是，專業(yè)的人干專業(yè)的事，專業(yè)的問(wèn)題還需要交由專業(yè)的設(shè)備，穩(wěn)定性分析，很顯然，LUM更勝任。

流變儀在解決剪切場(chǎng)條件下的配方優(yōu)化，組分兼容性，儲(chǔ)存運(yùn)輸穩(wěn)定性，施工工藝，固化相變追蹤，觸變性等方便，具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。在解決產(chǎn)品流動(dòng)性，形變控制上，得到的數(shù)據(jù)可以為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)，生產(chǎn)制造，質(zhì)量控制和科學(xué)研究，提供全面的技術(shù)支持。

穩(wěn)定性分析儀在相對(duì)穩(wěn)定的體系里，尋找不穩(wěn)定性，從而評(píng)估相分離，沉降，分層，上浮，相變等各類不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而為產(chǎn)品的研發(fā)，質(zhì)量控制提供更權(quán)威的角度，來(lái)充分展示產(chǎn)品在穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量，貨架期提供多角度的評(píng)估判定。

作為流變儀的頂級(jí)制造商哈克和穩(wěn)定性分析儀的制造商LUM，從不同角度展示了材料表征最佳組合的獨(dú)特魅力。這一對(duì)兒優(yōu)秀的產(chǎn)品，終將為材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步貢獻(xiàn)屬于自己的重要力量。

ENDING.