HAAKE流變儀和LUM穩定性分析儀在油墨涂料行業(yè)的應用

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)品穩定性，影響終產(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)。運用HAAKE流變儀和LUM穩定新分析儀對配方的流動(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、穩定性、HAAKE流變儀、LUM穩定性分析儀

油漆和涂料是各種成分的復雜混合物,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(zhù)力，流平，強度，光澤，穩定性，粒度，耐久性，抗沖擊性等性能。油漆被認為是高度分散的體系，通常顯示復雜的流動(dòng)行為。

在整個(gè)貨架期內，油漆需要耐受不同的剪切速率和剪切環(huán)境。在儲存和運輸時(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力數值。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）。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），預期其表現為低粘度，自由流動(dòng)的液體。此時(shí)，簡(jiǎn)單的單點(diǎn)粘度測量，無(wú)法*捕獲描述的復雜流動(dòng)行為。因此，需要使用一臺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，穩定性與配方的優(yōu)化，工藝調整，產(chǎn)品貨架期密切相關(guān)。依據ISO/TR13097穩定性表征指導原則，需要對分散體系的相分離，凝聚，絮凝，上浮，沉降，聚并，變稠，纏繞，滲出等不穩定行為進(jìn)行測量。利用LUM*的STEP技術(shù)，可以實(shí)現配方體系的失穩過(guò)程研究，穩定性分析，界面遷移速度，保質(zhì)期預測，終對產(chǎn)品的配方體系，質(zhì)量一致性和貨架期提供科學(xué)的數據支持。

因此，哈克流變儀和LUM穩定性分析儀，是一對物性表征手段完美的組合。作為兩家儀器制造商，為油墨涂料行業(yè)提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)咨詢(xún)和持續的技術(shù)服務(wù)。

一 哈克流變儀在油墨行業(yè)的應用

流變學(xué)是針對物體的流動(dòng)和變形所展開(kāi)的研究科目。對于油漆、涂料及油墨來(lái)說(shuō)，流變性能對其研發(fā)、生產(chǎn)及應用具有重要的指導意義。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力則可以保證其在涂刷之后不會(huì )產(chǎn)生流掛現象；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)揮出良好的書(shū)寫(xiě)性能；無(wú)溶劑粉末涂料通過(guò)UV紫外線(xiàn)照射可實(shí)現快速、節能的交聯(lián)方法等等。哈克旋轉流變儀\粘度計配合各種附件可以提供給客戶(hù)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(xiàn)

通過(guò)哈克旋轉流變儀\粘度計，可以方便快捷的測定樣品的流動(dòng)（粘度）曲線(xiàn)，以表征剪切速率對樣品粘度的影響，幫助客戶(hù)分析樣品在不同應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存和運輸過(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剪切速率對剪切粘度的影響

1.2屈服應力

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

圖2有無(wú)屈服應力的差別  

 圖3屈服應力測試

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能力。通過(guò)測量觸變性，我們可以了解樣品的流平性、實(shí)際應用和加工情況。例如，用戶(hù)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，避免漆膜松垮。通過(guò)哈克旋轉流變儀既可以通過(guò)測量油漆觸變環(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)測量其恢復時(shí)間（或一定時(shí)間后的恢復程度），如下圖5所示。

圖4觸變環(huán)測量方法及曲線(xiàn)

圖5三段式觸變性測量方法及曲線(xiàn)

1.4粘彈性

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

圖6粘彈性測試的應力掃描和頻率掃描

1.5固化性能

哈克流變儀配備UV紫外光源或者輻射對流爐CTC，可以幫助客戶(hù)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(hù)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拉伸行為測量

流體的拉伸性能對油漆、涂料及油墨工業(yè)有著(zhù)重要的研究?jì)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，哈克CaBER1 拉伸流變儀可以幫助客戶(hù)分析流體細絲的細化和斷裂，用于檢測懸浮液、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+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控

選配：25mm尺寸同軸圓筒溫控

1.7.2研發(fā)部門(mén)

HAAKEMars IQ/Air 高級旋轉流變儀或者M(jìn)ARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控+平椎板測量系統

選配：根據研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉子

1.7.3研發(fā)或者紫外固化

MARS40/60模塊化流變儀工作站+雙狹縫低粘度轉子+軟件+半導體同軸圓筒溫控+平椎板測量系統

選配：根據研發(fā)需求選擇不同尺寸的轉子

紫外固化單元

NicoletIS50紅外光譜儀

二、LUM穩定性分析儀在油墨行業(yè)的應用

LUM系列穩定性分析儀擁有STEP技術(shù)—空間和時(shí)間透光率掃描技術(shù)。相比于傳統的消光/透光率檢測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)系列的穩定性分析儀，可在樣品靜置或離心加速的同時(shí)，設置任意時(shí)間長(cháng)度的掃描間隔（低可每秒鐘掃描一次）對樣品進(jìn)行透光率變化的檢測，由此可以實(shí)現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*的透光率指紋圖譜，可以對樣品的分離行為和過(guò)程分析，得到樣品的不穩定性指數，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果非常適合油墨，涂料等分散體的穩定性表征，終實(shí)現指導新產(chǎn)品設計,現有產(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/貨架期預測等任務(wù)。

圖9STEP技術(shù)

此外，LUM系列穩定性分析儀可以實(shí)現多樣品測試，多可以同時(shí)測試12個(gè)樣品。并且有溫度控制模塊，4-60℃的溫控范圍可以滿(mǎn)足穩定性測試的常規溫度條件。

2.1分散體狀態(tài)變化的機理

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

• 分散相的質(zhì)量或體積濃度（如：空間均一性，稀釋或濃縮）；
• 連續相的狀態(tài)（如：密度，黏度，表面張力，化學(xué)勢，溶劑）；
• 分散相的狀態(tài)（如：粒徑和分布，形狀，顆粒形變，顆粒表面結構）；
• 顆粒/液滴間相互作用（如：靜電和范德華力，空間阻力）；
• 分散相和連續相間相互作用（如：潤濕性，界面張力，表面和流變學(xué)，溶解性，可溶性，網(wǎng)狀結構形成）。

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)出現上浮，沉降，團聚，聚并，奧斯特瓦爾德成熟，，相反轉等各種變化。LUM穩定性分析儀正是基于對這些失穩過(guò)程的追蹤測量，實(shí)現對不穩定性的定量檢測。

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溫度對沉降行為的影響

當樣品在25℃時(shí)，出現區域沉降，即整體沉降的過(guò)程；而樣品在45℃時(shí)，出現多分散沉降，即顆粒按照不同速度沉降的過(guò)程。結合樣品本身的屬性，可以推測在25℃時(shí)，該樣品的網(wǎng)狀結構較好地承托了顆粒；而在45℃時(shí)，網(wǎng)狀結構崩塌，顆粒沒(méi)有被很好地包裹在結構中，因此更不穩定。

2.3穩定性比較

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

藍色水性油墨

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比

圖133個(gè)油墨樣品的不穩定性指數

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-藍色水性油墨＞10A-紅色水性油墨；從不穩定性指數排名來(lái)看，從不穩定到穩定的樣品依次是11A-紅色溶劑型油墨＞2A-藍色水性油墨＞10A-紅色水性油墨。

相對于傳統靜置觀(guān)察時(shí)間慢，又無(wú)法定量比較的方法，LUM穩定性分析儀可以在很短的時(shí)間內即可對樣品進(jìn)行快速的穩定性排名。

B．本例中，比較3款木材防腐劑涂料的不穩定性指數隨時(shí)間的變化

圖143個(gè)木材防腐劑涂料的不穩定性數值隨時(shí)間的變化

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

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穩定性分析儀可以對分散體進(jìn)行詳細的界面追蹤，可實(shí)現對懸浮液的沉降，乳液的上浮，懸浮乳液等復雜分散體的分離和失穩進(jìn)行表征。

B．本例中，比較攪拌和球磨2種不同分散法對涂料穩定性的影響

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)樣品均是區域沉降的過(guò)程。其中普通攪拌分散的色漿，其譜線(xiàn)的間距在實(shí)驗初期就變得較寬，說(shuō)明沉降較快；后期譜線(xiàn)的間隙變密，出現了沉降壓縮。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款有機顏料的速度分布

LUM系列中的的LUMiSizer型號，采用光照離心沉降的粒度測試方法，還可以在不需要提供任何材料參數的情況下，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，采用光照離心沉降的粒度測試方法，在已知參數的情況下還可以給出顆粒的粒徑和分布。

三、總結

在我做流變儀的推廣和銷(xiāo)售過(guò)程中，也常常會(huì )遇到客戶(hù)咨詢(xún)穩定性分析的問(wèn)題，比如運輸和儲存的時(shí)候，漿料或者乳液的穩定性怎么表征。根據ISO/TR13097穩定性表征指導原則，流變儀提供的數據，比如零剪切粘度，屈服應力，小形變條件下的彈性模量，這些數據可以間接的表達配方體系的穩定性，而且與LUM穩定性分析儀得到的相對比較結果一致。但是，專(zhuān)業(yè)的人干專(zhuān)業(yè)的事，專(zhuān)業(yè)的問(wèn)題還需要交由專(zhuān)業(yè)的設備，穩定性分析，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，儲存運輸穩定性，施工工藝，固化相變追蹤，觸變性等方便，具有*的優(yōu)勢。在解決產(chǎn)品流動(dòng)性，形變控制上，得到的數據可以為企業(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。

穩定性分析儀在相對穩定的體系里，尋找不穩定性，從而評估相分離，沉降，分層，上浮，相變等各類(lèi)不穩定現象，從而為產(chǎn)品的研發(fā)，來(lái)充分展示產(chǎn)品在穩定性上的優(yōu)勢，對產(chǎn)品的質(zhì)量，貨架期提供多角度的評估判定。

作為流變儀的制造商哈克和穩定性分析儀的制造商LUM，從不同角度展示了材料表征組合的*魅力。這一對產(chǎn)品，終將為材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步貢獻屬于自己的重要力量。