HAAKE流變儀和LUM穩定性分析儀在油墨涂料行業的應用

摘要：油墨涂料的配方組成，決定了產品的流動特性，施工工藝和產品穩定性，影響終產品的貨架期，施工特性以及未來市場上的商業聲譽。運用HAAKE流變儀和LUM穩定新分析儀對配方的流動行為，分散行為進行表征，可以充分研究油墨涂料的觸變行為，流動行為，屈服行為，拉伸特性，固化行為，分散特征和體系穩定性，為產品的配方優化，施工特性和產品貨架期提供更有力的技術支撐。

關鍵詞：油墨涂料、流動性、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行為。

在整個貨架期內，油漆需要耐受不同的剪切速率和剪切環境。在儲存和運輸時，油漆將經歷低水平的剪切（小于1s^-1），同時為了防止相分離，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，自由流動的液體。此時，簡單的單點粘度測量，無法*捕獲描述的復雜流動行為。因此，需要使用一臺HAAKE哈克流變儀來表征配方的整體性能。

油墨是一個典型的分散體，穩定性與配方的優化，工藝調整，產品貨架期密切相關。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行測量。利用LUM*的STEP技術，可以實現配方體系的失穩過程研究，穩定性分析，界面遷移速度，保質期預測，終對產品的配方體系，質量一致性和貨架期提供科學的數據支持。

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，為油墨涂料行業提供專業的技術咨詢和持續的技術服務。

一 哈克流變儀在油墨行業的應用

流變學是針對物體的流動和變形所展開的研究科目。對于油漆、涂料及油墨來說，流變性能對其研發、生產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產生流掛現象；彈性和粘性的特性則會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揮出良好的書寫性能；無溶劑粉末涂料通過UV紫外線照射可實現快速、節能的交聯方法等等。哈克旋轉流變儀\粘度計配合各種附件可以提供給客戶完備的涂料油墨行業流變性能解決方案。

1.1流動（粘度）曲線

通過哈克旋轉流變儀\粘度計，可以方便快捷的測定樣品的流動（粘度）曲線，以表征剪切速率對樣品粘度的影響，幫助客戶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程中不發生沉降，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，沒有屈服應力的涂料非常容易產生流掛現象，在實際應用中的表現就是墻面涂刷后容易產生厚度不均的情況，而具有屈服應力的樣品則可以有效地防止流掛現象的發生。對于中性筆芯中的油墨來講，屈服應力太大不易書寫，太小則會導致漏墨。通過哈克旋轉流變儀可以使用控制應力的模式來準確的測量樣品的屈服應力（圖3）。

圖2有無屈服應力的差別  

 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。通過測量觸變性，我們可以了解樣品的流平性、實際應用和加工情況。例如，用戶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。通過哈克旋轉流變儀既可以通過測量油漆觸變環的面積來表征其觸變性的大?。▓D4），又可以通過小幅振蕩-高速剪切-小幅振蕩的模式來測量其恢復時間（或一定時間后的恢復程度），如下圖5所示。

圖4觸變環測量方法及曲線

圖5三段式觸變性測量方法及曲線

1.4粘彈性

粘彈性是流體的粘性及彈性的綜合性質。對于涂料油墨來講，其彈性模量G'和粘性模量G"的大小或者轉變規律則會對其的配方研究和應用性能產生非常大的影響。哈克旋轉流變儀可以通過應力掃描、頻率掃描、溫度掃描或者時間掃描或者蠕變-恢復等模式來方便、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，可以幫助客戶方便的研究樣品的固化過程，采用Rheonaut紅外-流變聯用模塊還可以幫助客戶在分子層面上分析樣品固化過程中發生的化學變化。

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、涂料及油墨工業有著重要的研究價值，例如涂敷流動、特殊印刷工藝、壓縮流動等。同剪切流動相比，許多樣品的拉伸流動會顯示不同的反應，哈克CaBER1 拉伸流變儀可以幫助客戶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便。CaBER1 既可以用于分析測試，也可以用于質量控制。

圖8拉伸流變研究

1.7油墨行業哈克流變儀配置推薦

1.7.1質量控制\生產或技術支持部門

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研發部門

HAAKEMars IQ/Air 高級旋轉流變儀或者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：根據研發需求選擇不同尺寸的轉子

1.7.3研發或者紫外固化

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的應用

LUM系列穩定性分析儀擁有STEP技術—空間和時間透光率掃描技術。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點位置的消光/透光率信息，STEP技術可以單次就記錄下整個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系列的穩定性分析儀，可在樣品靜置或離心加速的同時，設置任意時間長度的掃描間隔（低可每秒鐘掃描一次）對樣品進行透光率變化的檢測，由此可以實現樣品任意位置透光率隨時間變化的記錄。通過每個樣品*的透光率指紋圖譜，可以對樣品的分離行為和過程分析，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，終實現指導新產品設計,現有產品的優化，生產過程的質量控制及產品保質期/貨架期預測等任務。

圖9STEP技術

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

2.1分散體狀態變化的機理

分散體的穩定性取決于諸多相關的物理，物理化學及化學參數，因此其性質是復雜的。穩定性會受如下因素的影響：

• 分散相的質量或體積濃度（如：空間均一性，稀釋或濃縮）；
• 連續相的狀態（如：密度，黏度，表面張力，化學勢，溶劑）；
• 分散相的狀態（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，溶解性，可溶性，網狀結構形成）。

以上種種因素（包括但不限于）的影響，都會讓一個分散體的狀態出現上浮，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程的追蹤測量，實現對不穩定性的定量檢測。

圖10分散體狀態的改變

2.2分離行為和過程分析

本例中，比較同一個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，出現區域沉降，即整體沉降的過程；而樣品在45℃時，出現多分散沉降，即顆粒按照不同速度沉降的過程。結合樣品本身的屬性，可以推測在25℃時，該樣品的網狀結構較好地承托了顆粒；而在45℃時，網狀結構崩塌，顆粒沒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個油墨樣品的圖譜和樣品管對比

圖133個油墨樣品的不穩定性指數

從透光率圖譜來看，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。

相對于傳統靜置觀察時間慢，又無法定量比較的方法，LUM穩定性分析儀可以在很短的時間內即可對樣品進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間的變化

圖143個木材防腐劑涂料的不穩定性數值隨時間的變化

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間的變化。一方面在實驗初期就可以短時間內衡量穩定性，另一方面又可避免樣品在前期穩定而在長期存放過程中失穩的風險。

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行詳細的界面追蹤，可實現對懸浮液的沉降，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看，兩個樣品均是區域沉降的過程。其中普通攪拌分散的色漿，其譜線的間距在實驗初期就變得較寬，說明沉降較快；后期譜線的間隙變密，出現了沉降壓縮。從兩個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個透明水性涂料的平均透光率差異

圖172個透明水性涂料的平均透光率差異

LUM采用的STEP技術，即空間和時間透光率掃描技術，可以給出某個任意時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售過程中，也常常會遇到客戶咨詢穩定性分析的問題，比如運輸和儲存的時候，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，專業的人干專業的事，專業的問題還需要交由專業的設備，穩定性分析，很顯然，LUM更勝任。

流變儀在解決剪切場條件下的配方優化，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*的優勢。在解決產品流動性，形變控制上，得到的數據可以為企業的產品研發，生產制造，質量控制和科學研究，提供全面的技術支持。

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，相變等各類不穩定現象，從而為產品的研發，來充分展示產品在穩定性上的優勢，對產品的質量，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。這一對產品，終將為材料科學的發展進步貢獻屬于自己的重要力量。