Reologie nátěrů

8.8.

Úvod

Nástřik automobilových barev, laků a nátěrů a aplikace nátěrů na papír jsou typickými příklady průmyslových procesů, kde charakterizace elongačních vlastností je nezbytností pro optimalizaci vlastností produktů a výrobních procesů. Elongační toky se objevují v mnohých průmyslových výrobách a pracovních postupech, při nichž tok materiálu prochází mnoha změnami.

Nátěrové hmoty jsou obvykle vysoce strukturované tekutiny, které se skládají z několika různých složek včetně přísad, aditiv, které slouží k úpravě povrchového napětí, optimalizaci tixotropního chování nebo ke zlepšení finálního vzhledu nátěru, filmu.

Chování automobilového nátěru často nelze charakterizovat jen pomocí smykových zkoušek (rotační reometrie), protože produkty s podobnými smykovými viskozitami se mohou velmi lišit v případě elongačních vlastností; v případě smyku jsou tokové linie paralelní, zatímco v elongaci konvergují. Elongační tok a elongační vlastnosti materiálu proto nelze simulovat a analyzovat pomocí rotačních reometrů ( Thermo Scientific HAAKE MARS , Thermo Scientific HAAKE Viscotester iQ ).

V případě extenzionálního reometru Thermo Scientific CaBER dochází k vytvoření kapalného vlákna, které je dále vlivem povrchového napětí roztaženo. CaBER (Capillary Breakup Extensional Rheometer) pracuje na principu rychlého odtažení malých objemů kapaliny. Vytvořené vlákno je měřeno z hlediska tloušťky, resp. jak rychle se vlákno přetrhne. Šířka vlákna je měřena uprostřed dvou oddalujících se desek a je vyhodnocena jako funkce času. Tím je možno jednoduchým způsobem charakterizovat elongační chování širokého spektra materiálu od nízkoviskózních látek po pastovité tekutiny. Reologické vlastnosti typických automobilových nátěrů na vodní bázi a papírenských povrchů jsou určovány zejména zahušťovadly a jejich interakcemi s ostatními složkami obsaženými v materiálu.

Thermo Scientific CaBER

Automobilové nátěry

Pomocí rotačního (Thermo Scientific HAAKE MARS) a extenzionálního ( Thermo Scientific CaBER ) reometru byly zkoumány tři různé typy zahušťovadel: akrylátové, asociativní (polymery se základem polymerů rozpustných ve vodě + hydrofobní skupiny) obsahující jíl a CMC (karboxymetylcelulosa). V případě elongačních vlastností jevily dané materiály různé charakteristiky. Akrylátové a asociativní zahušťovadla vykazovala pokles hodnoty průměru vlákna v čase, typické chování pro elastické tekutiny. Roztok CMC jevil elongační chování více jako vizkózní tekutina, tzn. průměr vlákna se snižoval dle mocninné fce.

Elongačním a smykovým testům byly podrobeny automobilový nátěr na vodní bázi a vodný roztok asociativního zahušťovadla. Dle očekávání byl zaznamenán pokles hodnoty průměru vlákna jako funkce času u elongačního měření. Překvapivě čas roztrhnutí vlákna byl u nátěru mnohem delší než u samotného zahušťovadla i přes to, že hodnota smykové viskozity při smykové rychlosti 100 s ^-1 u čistého zahušťovadla je o jeden řád vyšší než u nátěru.

Aplikace automobilového nátěru stříkáním

Papírenské nátěry

U finální úpravy papíru je nátěr ve většině případů aplikován pomocí válců. V momentě přenosu nátěru na surový papír může dojít k nepříjemnostem typu nežádoucích kapek nebo zamlžení. Zejména v těchto případech hraje rozhodující roli elongační viskozita.

Při testování dvou různých nátěrů vykazoval vzorek s akrylátovým zahušťovadlem mnohem delší čas roztržení vlákna než vzorek s CMC. To koreluje s praktickou zkušeností u strojů nanášející povlak. Nátěr obsahující akrylátové zahušťovadlo má také menší tendenci k rozstřiku a zamlžení než nátěr s CMC.

U elongačních testů bylo zřejmé, že čistý akrylát měl tendenci k tvorbě vlákna. Nátěry bez obsahu jakéhokoliv zahušťovadla naopak vlákna netvořila vůbec. Vláknotvorná vlastnost se objevuje už při 0,35 %-ním obsahu akrylátu ve vzorku. To souvisí s interakcemi mezi rozpuštěnými molekulami zahušťovadla, pigmenty a pojivem. V případě papírenských nátěrů dochází k poklesu průměru vlákna s časem. Při smykových experimentech bylo téměř nemožné rozlišit jednotlivé směsi, což vede k závěru neschopnosti usuzovat na aplikačním chování jen pomocí rotační reometrie.

Závěr

Elongační a rotační experimenty u automobilových a papírenských nátěrů ukázaly, že chování těchto látek nelze předpovědět jednoduchou charakterizací použitého zahušťovadla. Vlastnosti těchto komplexních formulací jsou řízeny interakcemi mezi polymery zahušťovadla, pigmenty a pojivem.

Pro více informací nás neváhejte kontaktovat na info.chem@pragolab.cz.