油漆和塗料的流變學研究

Alina Latshaw | Morgan Ulrich
August 18, 2022

從光亮的汽車到無刮痕牆壁,我們對油漆與塗料的要求很高。高品質的油漆不僅應具有醒目耀眼的色彩,還必須擁有合適的材料特性以利塗布和乾燥。稠度極為重要:油漆太稀,會流淌、滴落;油漆太稠,會結塊、無法均勻乾燥。噴漆和塗料也應可以噴塗流暢而不堵塞噴漆設備。
大多數的油漆和塗料為膠態懸浮液,意指內有固體顆粒懸浮於牛頓流體中。固體顆粒與流體的不同組合可以產生各種不同的濃稠度和外觀。
為了得到油漆和塗料的合適材料特性,應考慮它們的流變性質 – 材料如何流動或變形。油漆和塗料的流變性質取決於溶劑環境、內含增稠劑或添加劑,以及油漆顏料或顆粒本身的特性。

油漆和塗料的關鍵流變學試驗

就油漆而言,關鍵流變學試驗模擬周圍環境狀況,以及材料在標準使用過程中所承受的壓力,包括黏度、潛變、應力鬆弛和軸向試驗等參數。
黏度測量因材料的內耗而產生的流動阻力。研究人員注意到黏度與油漆性能之間的關聯性1。因此,在廣大剪切速率範圍內測量油漆或塗料的黏度是預測其性能在混合、攪拌、塗刷、滾動或噴塗等不同使用條件下的關鍵。
降伏應力是使材料開始流動前必須施加的最小應力。為避免顏料隨時間或在儲存條件下產生沉澱,降伏應力是至關重要的。塗料配方開發師優化配方的降伏應力,以確保油漆在塗裝至牆壁後不會滴落或垂流。
潛變用來描述材料在穩定應力下的變形或流動。潛變數值可以描述油漆或塗料被塗刷或滾動至表面後在地心引力作用下的行為。

動態震盪試驗

雖然黏度計可以測量上述黏性特質,但是由於流變儀可以進行黏度量測與動態震盪試驗,因此評估油漆和塗料的專家選擇使用流變儀。
具黏彈性質的材料同時表現出黏性與彈性反應,而動態震盪試驗是唯一可以定義其特徵的方法。所有油漆和塗料皆具黏彈性質,而動態震盪試驗是測量黏彈性結構最敏感的方法2。單有黏度計無法測量出黏彈性質,因此流變儀成為油漆和塗料產業的首要選擇。
塗料科學家倚賴 TA Instruments 的流變儀以研究塗料在塗布之前、塗布過程及塗布之後的穩定性。動態震盪試驗有助於優化穩定性,防止顏料沉澱或分離。這種方法可以確保周圍流體的結構適合使固體顆粒懸浮,同時防止分離。
抗垂流和防坍落的特性還取決於塗刷或高剪切應用之後材料保持其結構的能力,這種特性在垂直表面塗布油漆時特別重要。配方開發師利用動態震盪試驗測量結構隨著時間回復的情況,同時量測降伏應力。一台流變儀即搞定。

用於油漆和塗料產業的頂尖流變儀

優化新產品配方時,油漆和塗料有許多流變特性尤其重要。塗料暴露於極多種的剪切速率和其他作用力下,包括沉降等非常緩慢的過程,或者噴塗應用中的高速加工。有效的試驗必須涵蓋全部範圍的剪切速率,同時定義油漆和塗料的黏彈性質。

如上所述,頂尖的塗料實驗室和配方開發師倚賴 TA Instruments 流變儀無比的性能,再加上人性化的設計,能夠輕鬆融入既有的工作流程中。我們提供多種設計用於測試油漆和塗料的幾何形狀選擇,包括同心圓柱式、平行板式和錐板式。選擇使用丟棄式同心圓柱杯,去除測試之間停止和清潔的需要,以提高生產率。研究塗料乾燥特質時需要使用固定化感應器附件

旋轉剪切流變儀的最新創新Discovery 混合流變儀,涵蓋最經濟實惠到最先進的解決方案,所有的油漆和塗料流變性質需求。Discovery HR 10、20 和 30 均提供定義黏度和黏彈性等塗料性質所需的全部流變學數據。TA Instruments 流變儀皆可進行應力、應變、時間、頻率和溫度的動靜態試驗。

除此之外,Discovery 混合流變儀可以加速準配方的篩選,以及預測塗料行為。油漆和塗料的底層結構在加工、顧客使用和儲存條件下達成預期性能極為重要。

所有 TA Instruments 流變儀均配備最先進的 TRIOS 軟體,利用易學好用的測試表格簡化油漆和塗料的流變研究,又可以自動計算和呈現黏度、模數等其他相關的變數。

擁有豐富流變儀器設計和量測方面的經驗,TA Instruments 的專家團隊隨時準備協助您找到適合實驗室的流變儀和幾何形狀。立即聯絡我們,瞭解流變儀如何協助您優化油漆和塗料產品。

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參考資料:

  1. Eley, R. R. (2019). Applied rheology and architectural coating performance. Journal of Coatings Technology and Research, 16(2), 263–305. https://doi.org/10.1007/s11998-019-00187-5
  2. Whittingstall, P. (2003). Dynamic or Oscillatory Testing of Complex Fluids. Current Protocols. https://doi.org/10.1002/0471142913.fah0301s07