Rheologietechnische Notizen – Verständnis der Korrelation zwischen Rheologie und Partikelparametern1



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Verständnis der Korrelation zwischen Rheologie und Partikelparametern 

  Die physikalischen Eigenschaften von Partikeln beeinflussen sowohl die Größenverteilung als auch das Zetapotential (die elektrische Ladung der Partikel), was die Rheologie der Beschichtung beeinflusst. Die Testergebnisse haben sich mit verschiedenen Typen von Beschichtungen und deren Einfluss auf die Rheologie befasst, die mit einem Malvern Bohlin Gemini Rheometer gemessen wurde. Die Partikelgröße und das Zetapotential wurden jeweils mit einem Malvern Mastersizer 2000 und Malvern Zetasizer Nano ZS gemessen.

  In den verwendeten Beispielen wurden die meisten Bedingungen als sehr allgemein betrachtet, und die Theorie kann umfassend auf Beschichtungssysteme angewendet werden.

  Die „Fließfähigkeit“ eines Materials wird durch seine Viskosität oder den Widerstand gegen Fließen dargestellt. Wenn von der Viskosität eines bestimmten Materials gesprochen wird, ist es wichtig zu verstehen, dass Viskosität nicht nur einen einzigen Wert darstellt, sondern als eine Funktion der Scherspannung gemessen wird.

  Scherspannung liefert einen Hinweis darauf, wie Materialien sich bei niedrigem (unter 1s-1) oder hohem (über 100s-1) Scherstress verformen.

  Tabelle 1 fasst Prozesse für Beschichtungsmaterialien und deren Scherbereich zusammen.

  In Bezug auf die Schergeschwindigkeit bei der Beschichtung folgen die verwendeten Materialien den unten aufgeführten Kategorien.

– Scherverdickung (Phänomen, bei dem die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit zunimmt);
– Newtonsches Verhalten (gleiche Viskosität bei allen Schergeschwindigkeiten);
– Scherverdünnung (Phänomen, bei dem die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit sinkt);

Beziehung zwischen Partikelgröße und Rheologie

  Der erste zu berücksichtigende Faktor ist die Viskosität eines druckempfindlichen Klebers (PSV oder pressure-sensitive adhesive), der auch bei Raumtemperatur noch klebrig ist und mit wenig Kraft haftet. Bei Latexpartikeln gibt es zwei verschiedene Größen. Wie in Fig 1 gezeigt, nimmt die Viskosität von PSA bei zunehmender Partikelgröße deutlich ab.

  Dies ist ausschließlich auf Veränderungen in der mittleren Partikelgröße zurückzuführen. Der Volumenanteil (oder das Gewicht des zugesetzten Latex im PSA) bleibt konstant. Für eine gegebene Latexmenge werden die Anzahl der Partikel je nach Größe bestimmt, d.h. es wird mehr 175 Mikrometer Latexpartikel als 750 Mikrometer geben.

  Dies ist eine allgemeine Teilcheninteraktion und in einer makroskopischen Substanz sind die Wechselwirkungen geringer. Dies können mechanische oder elektrische/chemische Wechselwirkungen sein. Daher existieren bei kleineren Partikeln innerhalb desselben Volumenanteils mehr Partikel und mehr Interaktionen.

  Wenn die Wechselwirkungen in einem engen Rahmen von Strukturen betrachtet werden, wird die Viskosität messbar erhöht. Die Scherung kann als Deformationsfaktor betrachtet werden, wobei niedrigere Schergeschwindigkeiten zu geringeren Verformungen führen als höhere. Deshalb gibt es Unterschiede zwischen niedriger Schergeschwindigkeit mit schwächerem Kraftaufwand und hoher Schergeschwindigkeit mit stärkerem Kraftaufwand. Fig 1 zeigt auch, dass es bei geringeren Schergeschwindigkeiten den größten Viskositätsunterschied gibt, da die Partikelinteraktion schwach ist und leicht unterbrochen werden kann.

  Daher zeigen beide Systeme bei hohen Schergeschwindigkeiten ähnliche Viskositäten, da die Partikelinteraktion abnimmt.

  Im Falle von harzbasierten Tinten (Tinte mit Talkum als Füllstoff), wird sich die Viskosität im System ändern. Fig 2 zeigt, dass das Tintenkonzentrat eine typische neueanische Viskosität hat. Der zugesetzte Harz hat eine recht feste Konsistenz, was zu starken Polymerinteraktionen führt, die eine hohe Viskosität aufweisen. Diese äußern sich in einer minimalen Scherverdünnung, da die Kraft durch werierte Polymere gegen die Scherung wirkt.

  Im Fall von 19 Mikrometer Talkum Partikeln weist die Ausgangsviskosität aufgrund der geringeren Interaktion der großen Partikel eine leichte neueanische Tendenz auf. Eine Zunahme der Viskosität zeigt sich jedoch bei der Zugabe von 5 Mikrometer kleinen Partikeln aufgrund der erhöhten Anzahl. Wie gesagt sind diese Partikelinteraktionen in der Regel schwach, daher tritt eine Viskositätserhöhung bei niedrigen Schergeschwindigkeiten mit hoher Viskosität auf.

Einfluss der Volumenfraktion auf die Dispersion

  Bisher wurde eine konstante Volumenfraktion der Füllstoffe besprochen. Grundsätzlich bedeutet dies, dass eine konstante Partikelmenge in das System eingebracht wird. Eine einfache Erhöhung des Partikelanteils führt im Allgemeinen zu einer Erhöhung der Viskosität, wenn sie viskosimetrisch gemessen wird. Allerdings kann, wenn die Rheologie tatsächlich gemessen wird, die Beziehung zwischen Viskosität und Schergeschwindigkeit mehr Informationen erfordern. Fig 3 zeigt, dass bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten die Viskosität der Tinte mit zunehmender Volumenfraktion zunimmt. Allerdings lässt sich auch eine Veränderung der Fließfähigkeit feststellen.

  Generell zeigt sich bei niedrigen Volumenanteilen (unter 40%) weiterhin newtonisches Verhalten, da die Anzahl der Partikel im System zu gering für Interaktionen ist. Bei etwa 50% besteht eine starke Partikelinteraktion, die zu erhöhter Viskosität führt. Diese Interaktionen können als schwach beschrieben werden und werden bei hoher Schergeschwindigkeit durch die shear thinning Struktur beeinträchtigt.

  Systeme mit einem hohen Volumenanteil von über 60% zeigen deutlich mehr Interaktionen, was sowohl bei niedrigen Schergeschwindigkeiten zu einer hohen Viskosität als auch zu shear thinning Verhalten führt. Die mechanische Schwierigkeit, Partikelbewegungen in einem so komplexen System zu bewältigen, sollte bedacht werden. Diese Trends sind besonders prominent bei hohen Schergeschwindigkeiten und führen zu einer Erhöhung der Viskosität mit shear thickening oder dilatantem Verhalten.

  Die Viskosität, die von der Volumenfraktion abhängt, kann durch die Krieger-Dougherty-Gleichung dargestellt werden. η stellt die Viskosität der Suspension dar, während ηmedium die Viskosität des Basismediums beschreibt. φ steht für die Volumenfraktion der festen Stoffe in der Suspension und φm stellt den Maximalwert dieser Volumenfraktion dar.

  Außerdem beschreibt [η] die intrinsic Viscosity (intrinsische Viskosität) des Mediums, und für sphärische Partikel beträgt der Wert 2,5. Die Krieger-Dougherty-Gleichung kann sich ändern je nach den physikalischen Eigenschaften der Partikel, selbst wenn die Volumenfraktion gleich bleibt. In diesem Fall sind Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung oder Partikelabstände ausschlaggebend für das Maximum der Volumenfraktion (oder Packung). Für ein System aus monodispersen sphärischen Partikeln mit maximaler Volumenfraktion beträgt diese etwa 64%. Dies kann jedoch auch durch den Fluss um die Partikel herum im Effektivwert gesteigert werden (also bei kleinerem Volumenanteil). „Leichter fließen“ bedeutet einfach, dass die Viskosität herabgesetzt ist. Anders gesagt, können kleine Partikel durch ihre Bewegung als Schmiermittel für größere Partikel fungieren.

  Fig 4 zeigt ein interessantes Ergebnis. Eine polydisperse Mischung aus großen und kleinen Partikeln bei konstantem Volumen zeigt eine Viskosität, die unter der individuellen Viskosität der Einzelkomponenten liegt. Es gibt zwei gegensätzliche Effekte, einen zu der Interaktion anhand der Partikelgrößenanzahl und einen polydispersen Effekts.

  Bei Beschichtungssystemen kann das Erhöhen der Polydispersität oder der Zusatzmenge ermöglicht werden, die Viskosität in einer gegebenen Umgebung nach der Zugabe von Füllstoffen oder Pigmenten konstant zu halten.

  Der Effekt der Polydispersität muss in Bezug auf Beschichtungsadditive von verschiedenen Anbietern beachtet werden. Der Lieferant verwendet dieselben Partikelgrößen, was die Verteilung nicht beeinflusst. Daher ändert sich nichts an den rheologischen Eigenschaften. Zum Beispiel kann der Mastersizer 2000 nicht nur die Partikelgröße, sondern auch die Partikelgrößenverteilung messen.