Лако-красочные материалы — производство

Законы течения жидкостей, высоковязких паст и твердых тел под влия­нием механического воздействия изучает наука — реология, а дисперсных систем, течение которых зависит не только от свойств составляющих компонентов, но и от их взаимодействия между собой на молекулярном уровне,— микрореология.

Образование структур в растворах вызывает не только резкое воз­ " "»"1"«"«илЛ mainbi«Tu un и ичиеияет хаоактео течения этих

систем под действием прилагаемого напряжения. При низких концентра­циях до начала ассоциации молекул имеет место ньютоновское течение. В этой области концентраций скорость течения (деформации) пропорцио­нальна приложенному напряжению. Коэффициентом пропорциональности является величина, называемая текучестью. Текучесть — величина обрат­ная вязкости.

Вязкость дисперсий зависит как от вязкости жидкости, так и от количества и свойств твердой фазы, наполняющей систему. Эти величины связаны уравнением Эйнштейна:

где tic — вязкость суспензии; т)ж — вязкость жидкости; ф — объемное содержание твердой фазы.

Это уравнение было выведено при условиях: 1) частицы твердой фазы имеют сферическую форму, 2) суспензии разбавленные, 3) в системах нет взаимодействия между фазами. Для лакокрасочных систем, являю­щихся высококонцентрированными и структурированными системами с разнообразной формой пигментных частиц", все условия не соблюдаются. Тем не менее, несколько видоизмененное уравнение Эйнштейна, например, уравнение Гута — Гольда, дает возможность удовлетворительно опреде­лять вязкость дисперсий с дефлокулированными пигментными частица­ми:

Лс = 11ж (1 + 3Ф + 23ф2). (3.20)

Имеются и другие уравнения, описывающие свойства дисперсий.

Как видно из рис. 3.13, вязкость дисперсий резко возрастает при достижении фкр, когда возникают контакты между твердыми частицами и они образуют собственную объемную структурную сетку.

Изотермы вязкости пигментных дисперсий состоят из двух частей: начальной линейной до достижения <р и степенной при возникновении и развитии структурной объемной сетки пигмента. Вязкость дисперсии до фкр описывается уравнением:

ТЬ = т|ж + Яф, (3.21)

к. шлшыешший от стоАств иишмм.

/

Рис. 3.13. Зависимость вязкости дисперсий пигмен­тов т) ст их объемного содержания <р / — технический углерод, Л — железная лазурь, 3 — ди­оксид титана

Течение систем, имеющих конечное значение предельного напряжения сдвига и п< по определению Бингама, назы­вают пластическим. Если то близко к нулю и п< течение называют псевдопла­стическим, при п> i — дилатантным. У жидкостей и дисперсий с пластическим и псевдопластическим тече­нием при увеличении скорости сдвига у до некоторого критического зна­чения вследствие разрушения внутренней структуры снижается вязкость чо некоторого постоянного значения цж, далее они ведут себя как ньюто­новские неструктурированные жидкости, наиболее приемлемые для дис­пергирования.

В спокойном состоянии — «отдыхе» от механического воздействия — постепенно в системе образуются новые связи и структуры, аналогичные р. мрушенным, и вязкость вновь возрастает, а система загустевает. Этот обратимый изотермический процесс, называемый тиксотропией, имеет «тень большое значение как в технологии изготовления лакокрасочных материалов, так и в технологии окраски. Тиксотропия характеризуется периодом релаксации — временем, необходимым для самопроизвольного носе 1ановления структуры.

В высоконаполненных дисперсиях вследствие недостатка жидкости при больших скоростях сдвига вязкость резко возрастает. Такие системы называют дилатантными. Для диспергирования они непригодны. На рис. 3 14 приведены кривые течения жидкостей разных реологических

iиной.

Различают тиксотропию вязкостную, обусловленную структурирова­нием олигомеров и полимеров в растворах и расплавах, и прочностную, обусловленную образованием коагуляционной сетки из твердых частиц при «|>(рКр, т. е. при недостатке связующего. Возможно образование и смешанных взаимно пронизывающих друг друга пигментных и поли­мерных структур, образующих более прочные, но все же обратимо разру­шаемые (тиксотропные) системы.

Для определения вязкости и предельного напряжения сдвига тиксо — i ройных систем используют ротационные вискозиметры, в случае высоко-

Рис 3 15 Зависимость предельного напряжения сдвига то (прочности пасты) от концентрации раствора пленкообразователя С при постоянном объемном наполнении пигментом ф (о) и от объемного содержания пигмента ф при постоянной концентрации пленкообразователя С (б) концентрированных паст — приборы с погружаемым конусом или тан — генциально-смещаемой пластинкой (прибор Ребиндера—Вейлера). На рис 3.15 показаны типичные зависимости предельного напряжения сдвига пигментных паст от концентрации растворов олигомеров или полимеров и от ОСП. Предельное напряжение сдвига — прочность коагуляционной структуры сухого пигмента — то при смачивании пигмента раствором плен­кообразователя резко падает до точки А (рис. 3.15, а). Затем вследствие пептизации агрегатов и адсорбционного покрытия части поверхности пигментов прочность пасты снова несколько возрастает за счет флокуля­ции и коагуляции до точки Б. При дальнейшем увеличении содержа­ния пленкообразователя частицы пигмента покрываются адсорбционными оболочками (точка В) и скользят в избытке жидкости, которая теперь и определяет прочность. Эта концентрация соответствует переходу из об­ласти структурирования // в /// (см. рис. 3.12) и для алкидных олигомеров составляет 20—25 % (масс). Эта концентрация пленкообразователя и является оптимальной для диспергирования пигментов.

Максимальная прочность наполненных пигментом паст при постоянной концентрации пленкообразователя соответствует (ркр (см. рис. 3.15, б), когда количество пленкообразователя еще достаточно для формирования адсорбционного слоя на поверхности частиц. Если же пленкообразователя недостаточно или его свойства не соответствуют требуемым, при воздей­ствии механических сдвиговых усилий неизбежна флокуляция.

Реологическая характеристика пигментньк паст определяет выбор оптимального соотношения между пигментами, пленкообразователями и растворителями; тип диспергирующего оборудования и гидродинами­ческий режим, требующий наименьших энергетических затрат.