Mots clés : rhéologie des poudres, revêtements en poudre, poudre de résine époxy
RH128-FR
Résumé
Les revêtements en poudre sont plus robustes et moins nocifs pour l’environnement que leurs homologues à base de solvants. La qualité du revêtement peut être modifiée par les conditions de transport et de traitement de la poudre. Les mesures rhéologiques des propriétés de cisaillement et d’écoulement des poudres peuvent contribuer à la réalisation d’un contrôle qualité des revêtements en poudre. Pour explorer l’impact de la température, l’accessoire de rhéologie des poudres de TA Instruments est utilisé pour explorer une résine époxyde (époxy) chargée destinée à des revêtements en poudre. Les résultats montrent que des précautions doivent être prises lors du stockage et du traitement, même à des températures inférieures à la transition vitreuse, à cause des effets sur la fluidité et la cohésion.
Introduction
L’industrie des revêtements a été impactée par des préoccupations environnementales et des contraintes réglementaires, notamment la réduction de l’utilisation des composés organiques volatils (COV) [1]. Il en a résulté que les revêtements en poudre présentant 100 % de contenu solide ont vu leur popularité augmenter. Les revêtements en poudre sont également plus robustes que les systèmes à base de solvants ou aqueux. En particulier, les revêtements de résine époxy présentent une stabilité chimique, une adhérence aux substrats et une dureté satisfaisantes [1] [2], et ces propriétés peuvent être améliorées par l’utilisation de produits de charge [2] [3]. Les revêtements sont appliqués de manière électrostatique avant de subir un durcissement en chambre thermique, afin de créer un film robuste [1]. Il est en outre critique que le film soit uniforme et de fabrication reproductible. Les conditions de transport, de stockage et de traitements des poudres peuvent avoir un impact sur la qualité du revêtement. Une méthode qui permet d’effectuer un contrôle qualité est la rhéologie des poudres, dont l’intérêt a été montré précédemment avec les poudres de lactose [4], de graphite [5] et de carboxyméthylcellulose [6]. La rhéologie des poudres peut mesurer les propriétés de cisaillement et d’écoulement des poudres, notamment l’énergie d’écoulement, la cohésion et la limite d’élasticité. Ces mesures peuvent contribuer à optimiser les formulations et les paramètres de traitement, mais également être utilisées pour le contrôle qualité des poudres. L’accessoire de rhéologie des poudres de TA Instruments pour le contrôle de la température destiné aux rhéomètres hybrides Discovery permet de mesurer la dépendance à la température des propriétés de cisaillement et d’écoulement des poudres. La mesure est effectuée avec des cellules d’écoulement et de cisaillement interchangeable avec le cylindre concentrique Peltier, comme le montre la Figure 1. Cette note démontrera le couplage de la cellule de température avec les cellules d’écoulement et de cisaillement de l’accessoire de rhéologie des poudres. Les résultats fournissent des informations sur les effets des conditions de stockage, de traitement et de l’environnement sur les poudres.
Données expérimentales
Une poudre de résine époxy avec un produit de charge et un contenu inorganique de 25 % a été obtenue auprès d’un fournisseur de revêtements en poudre. La température de transition vitreuse (Tg) a été déterminée par calorimétrie de balayage différentiel modulé sur le système Discovery DSC 2500 de TA Instruments comme étant égale à 47 °C.
Des mesures de rhéologie des poudres ont été réalisées à des valeurs inférieures et proches de la Tg en utilisant une chemise Peltier de TA Instruments pour le contrôle de la température avec une cellule de cisaillement des poudres et une cellule d’écoulement des poudres compatibles. La coupelle de contrôle de température des poudres dispose d’inserts inférieurs interchangeables pour l’écoulement et le cisaillement, comme le montre la Figure 2. L’insert d’écoulement est lisse et couplé au rotor de la turbine. L’insert de cisaillement présente des pales courtes et surélevées, et il est couplé à un rotor de cisaillement de diamètre de 28 mm avec des pales courtes et surélevées correspondantes.
Procédure d’écoulement
La procédure d’écoulement est programmée dans TRIOS, comme le montre la Figure 3. La poudre est conditionnée en utilisant le conditionnement d’écoulement des poudres, après quoi l’échantillon est ajusté en glissant l’entonnoir de chargement et en déposant le matériel en excès avant de passer à l’étape suivante, comme le montre la Figure 4. L’étape d’écoulement de la poudre comprend un trempage à température pendant 30 minutes, suivi par un conditionnement et les mesures d’écoulement à une vitesse en bout de pale de 60 mm/s et un angle d’hélice de 5°. La température est augmentée progressivement au cours des étapes successives d’écoulement de la poudre. Les résultats de l’écoulement comprennent des mesures à 25, à 35 et à 45 °C, suivies par des mesures répétées à 35 et à 25 °C.
Procédure de cisaillement
La procédure de cisaillement est programmée dans TRIOS, comme le montre la Figure 5. La poudre est conditionnée en utilisant la consolidation des poudres, puis l’échantillon est ajusté en glissant l’entonnoir de chargement et en déposant le matériau en excès avant de passer à l’étape suivante. L’étape de cisaillement des poudres comprend un trempage à température de 30 minutes, suivi par une série d’étapes de consolidation, de précisaillement et de cisaillement avec une diminution de la contrainte normale. Des expérimentations isothermes ont été réalisées en consolidant et en ajustant la poudre, puis en réalisant une étape de cisaillement. Des expérimentations avec cycles de température ont été réalisées en consolidant et en ajustant la poudre, puis en effectuant de multiples étapes de cisaillement sur le même échantillon.
Des paramètres supplémentaires de configuration sont disponibles sous les options avancées. Ces paramètres comprennent une première configuration précisaillement et une configuration, qui définit les périodes d’attente après qu’un pic de contrainte est détecté en utilisant une détection automatique des pics. Les valeurs par défaut sont de 0,05 et 0,01 rad, comme le montre la Figure 5. Lors de la réalisation des étapes de cisaillement successives, ces valeurs peuvent être modifiées si l’utilisateur détermine que les étapes se terminent trop précocement ou trop tardivement pour leurs réglages particuliers de tests. Des valeurs de 0,01 rad sont utilisées pour la première configuration précisaillement et pour la configuration après la première étape de cisaillement dans des expérimentations avec cycles de température.
Où :
- ts,pro–rated = contrainte de cisaillement au prorata
- ts = contrainte de cisaillement mesurée
- tp,average = moyenne de toutes les contraintes de cisaillement pré-cisaillement
- tp = contrainte de cisaillement pré-cisaillement mesurée précédant l’étape de cisaillement
Résultats et discussions
L’énergie d’écoulement totale pour des mesures d’écoulement confinées et non confinées est présentée sur la Figure 6 à une vitesse en bout de pale de 60 mm/s. L’indice de stabilité (stability index, SI) est le rapport de la dernière mesure de l’énergie d’écoulement sur la première mesure d’énergie d’écoulement au cours d’un intervalle spécifié par l’utilisateur. Une formulation de poudre plus stable doit présenter une valeur plus proche de un. L’indice de stabilité peut être utilisé pour identifier si une étape de température de traitement entraîne une instabilité de la poudre. Elle peut également être utilisée pour confirmer la qualité lot par lot ou évaluer l’impact d’un changement de formulation.
L’indice de stabilité est déterminé à partir de la première et de la dernière valeurs d’écoulement après des cycles de température, et il est de 1,06 pour un écoulement confiné et de 1,03 pour un écoulement non confiné. L’indice de stabilité est également déterminé pour l’énergie d’écoulement confinée à 45 °C, où l’énergie d’écoulement semble varier davantage, et il est égal à 1,08. Les valeurs sont proches de un, ce qui indique que cette poudre est stable sous ces conditions d’écoulement et de cycle de température.
Les résultats avec un contrôle de température sont présentés sur les Figures 7 et 8. Sur la Figure 7 et dans le Tableau 1, trois échantillons au total ont été testés à 25, à 35 ou à 45 °C. Au fur et à mesure que la température augmente, il apparaît une augmentation de la cohésion, de la limite d’élasticité non confinée, de la contrainte principale majeure et de l’angle de friction interne, et il apparaît une diminution de la fonction d’écoulement. Ces paramètres peuvent être utilisés pour optimiser les conditions d’environnement et de traitement des poudres. Au fur et à mesure que la mesure approche de la Tg, l’écoulement de la poudre devient plus difficile.
Tableau 1. Résultats avec une température isotherme pour 25, 35 et 45 °C
| 25 °C | 35 °C | 45 °C | |
|---|---|---|---|
| Cohésion (kPa) | 0.6 | 0.9 | 2.1 |
| Limite d’élasticité non confinée (kPa) | 2.1 | 3.1 | 10.0 |
| Contrainte principale majeure (kPa) | 27.6 | 28.1 | 34.6 |
| Fonction d’écoulement | 13.2 | 8.9 | 3.4 |
| Angle de flexion interne (rad) | 0.56 | 0.58 | 0.77 |
Les résultats sur le cisaillement avec des cycles de température sont présentés sur la Figure 8 et le Tableau 2. Les cycles de température ont été réalisés en effectuant une mesure à 25 °C, en augmentant la température jusqu’à 45 °C pour la mesure suivante, et enfin en retournant à la température de 25 °C pour la mesure finale (25-45-25 °C). Afin de vérifier la dépendance vis-à-vis de la température de la mesure du cisaillement sur la Figure 8A, la même expérimentation avec cycles de température a été réalisée, mais chaque mesure étant prise à 25 °C (25-25-25 °C), comme le montre la Figure 8B. Les mesures avec cycles de température à 45 °C, puis en retournant à 25 °C, montrent des changements irréversibles de la poudre. Il apparaît des changements appréciables dans la cohésion, la contrainte principale majeure, la fonction d’écoulement et l’angle de friction interne. Ces différences peuvent affecter les performances de la poudre dans un processus de création de films, même si la poudre a été soumise à des cycles inférieurs à la Tg. Les résultats de la Figure 8B indiquent que les valeurs à 25-25-25 °C montrent un bon alignement les unes par rapport aux autres, avec une certaine variabilité dans l’ajustement des données. Le changement des propriétés de cisaillement lorsque les cycles de température s’approchent de la Tg est dû à la température, et non pas à la consolidation dépendante du temps.
Tableau 2. Résultats avec le cycle de température 25-45-25 °C.
| 25 °C AVANT | 25 °C INVERSE | % CHANGEMENT | |
|---|---|---|---|
| Cohésion (kPa) | 0.7 | 0.5 | -29 |
| Limite d’élasticité non confinée (kPa) | 2.4 | 2.4 | 0 |
| Contrainte principale majeure (kPa) | 29.1 | 33.2 | 14 |
| Fonction d’écoulement | 12.2 | 13.8 | 13 |
| Angle de flexion interne (rad) | 0.57 | 0.71 | 25 |
Conclusions
Les propriétés d’écoulement et de cisaillement dépendantes de la température ont été mesurées pour une poudre époxy en utilisant l’accessoire de rhéologie des poudres avec contrôle de la température de TA Instruments. Les données peuvent être utilisées pour un contrôle qualité et la formulation, en montrant l’impact des conditions d’environnement et de traitement sur l’écoulement et la cohésion. La cellule d’écoulement a été utilisée pour mesurer les énergies d’écoulement confinées et non confinées à 25, 35 et 45 °C, après quoi des mesures à température décroissante ont été effectuées à 35 et 25 °C. Les mesures d’écoulement ont montré que la poudre était relativement stable par rapport au temps et aux cycles de température. Cette poudre devrait s’écouler de manière similaire dans un processus comportant des contraintes faibles de consolidation dans la mesure où la température a été augmentée à proximité de la Tg de 47 °C.
Les mesures de la cellule de cisaillement avec contrôle de la température ont fourni des informations sur les conditions de consolidation dépendantes de la température. Lorsque la poudre époxy a été soumise à un cycle de température de 25 à 45 puis à 25 °C, les changements irréversibles des propriétés de la poudre ont été observés. Ces résultats démontrent que, si la poudre peut s’écouler facilement et de manière constante jusqu’à 45 °C, des précautions doivent être prises lorsque les poudres consolidées sont soumises à des températures plus élevées. Une variabilité des performances des poudres peut être observée si une poudre est expédiée ou stockée à des températures approchant la Tg, lorsqu’il peut ne pas être visuellement apparent que la poudre a été exposée à des températures élevées. Si un processus ou un silo a été conçu pour des poudres présentant des propriétés cohésives et frictionnelles spécifiques, alors des variations peuvent être observées si différents échantillons du même lot présentent des antécédents thermiques variables.
Références
- Z. Du, S. Wen, J. Wang, C. Yin, D. Yu and J. Luo, The Review of Powder Coatings, J. Mater. Sci. Chem. Eng. 2016, 4, 54 – 59.
- H. J. Yu, L. Wang, Q. Shi, G. H. Jiang, Z. R. Zhao and X. C. Dong, Study on Nano-CaCO3 Modified Epoxy Powder Coatings, Prog. Org. Coat. 2006, 55 (3).
- M. Fernandez-Alvarez, F. Velasco, A. Bautista, Epoxy powder coatings hot mixed with nanoparticles to improve their abrasive wear, Wear, 2020, 448-449, 203211.
- J. R. Vail and S. Cotts, “Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutical excipients,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- K. Dennis and S. Cotts, “Powder Rheology of Graphite: Characterization of Natural and Synthetic Graphite for Battery Anode Slurries,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- J. Vail, K. Dennis, and T. Chen, “Effect of Moisture on Cohesion Strength of Carboxymethyl Cellulose Powder,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- “ASTM D7891-15 Standard Test Method for Shear Testing of Powders Using the Freeman Technology FT4 Powder Rheometer Shear Cell,” ASTM International, 2016.
Remerciements
Cet article a été rédigé par Kimberly Dennis, PhD à TA Instruments.
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