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Paints and Coatings

Viktor KürsteinerTracomme AG

2

Wovon ist die Viskosität h abhängig?

• Chem./physikal. Beschaffenheit h = f ( S )

• Temperatur h = f ( T )

• Druck h = f ( p )

• Schergeschwindigkeit h = f ( )

• Zeit h = f ( t ) Scherzeit, Ruhezeit

• Andere z. B. elektrische, magnetische Feldstärke

Die Viskosität ist keine Konstante, sondern abhängig von anderen Größen:

Eine Viskosität sollte immer zusammen mit den relevanten Einflussgrößen

und der Vorgeschichte der Probe angegeben werden.

z.B.: h = 1,4 Pa∙s (20°C, 100 s-1, nach 1 min Vorscherung mit 200 s-1)

g.

3

Wie ist die Viskosität definiert?

γ

τη

Viskosit

ät SchergeschwindigkeitSchubspannung

=

Drehzahl W ∙ Scherfaktor M

Drehmoment Md ∙ Schubfaktor A

Absolute Messungen

Kenntnis der A- und M-Geometriefaktoren für die jeweilige Messgeometrie

(Herstellerzertifikat)

Relative Messungen

A- und M-Geometriefaktoren für die jeweilige Messgeometrie nicht berechenbar

(z.B. Brookfield-Norm, Ford-Becher)

4

Bestimmung der Viskosität

A F, v

h

.

Viskosität (dynamisch) h[Pa∙s]

Schubspannung t [Pa]

Deformation g [-]

Schergeschwindigkeit g[1/s]

.

Die Viskosität kann nur indirekt bestimmt werden:

Die Berechnung der Viskosität ist nur für laminare Strömungen möglich!

5

Viskosität ausgewählter Fluide bei 20°C

Luft 0,02 mPas 0,00002 PasPetrol 0,65 mPas 0,00065 PasWasser 1 mPas 0,001 PasQuecksilber 1,5 mPas 1,5 PasTraubensaft 2 – 5 mPas 0,002 PasBlut (bei 37°) 4 – 15 mPas 0,004 PasKafferahm 10 mPas 0,01 PasOlivenöl 100 mPas 0,1 PasHonig 10‘000 mPas 10 PasTeer 1‘000‘000 mPas 1‘000 PasBitumen 100‘000‘000 mPas 0,1 MPasGraphit 1E26 mPas 1E11 GPas

6

= Dynamische (Scher-)Viskosität [Pa∙s] = / 1 Pa∙s = 1000 mPa∙s

1 mPa∙s = 1cP (centi Poise)t = Schubspannung (Scherspannung) [Pa]

= Schergeschwindigkeit [1/s]

= Kinematische Viskosität [mm2/s] = /

1 mm2/s = 1 cSt (centi Stokes)

= Dichte [kg/m3]

rel = Relative Viskosität [-] rel = 1/2 z.B.: HAAKE-Einheiten

Viskositäten und deren Einheiten (Rotations-, Kugelfall-, Kapillar-Viskosimeter)

.

.

7

Strassenteer-Viskosimeter

AuslaufbecherDIN Ford

Auslaufbecher

Eintauchbecher

8

Auslaufbecher

Messung der Zeit Dt (für ein definiertes Volumen)

Sekunden als Index für die Viskosität

The Ford-Cup

Methode

Vorteile

Vorteile

günstig

einfaches handling

schnell

Einfache Reinigung

relativ, typ des Bechers

und Düse sind fest.

z.B. DIN-cup Typ A

Düse Nr. 4

Keine Temperierung

Falsche Werte für nicht-

Newtonsche Flüssigkeiten

Nicht für Flüssigkeiten mit

Fliessgrenze

Nachteile

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Methode:Rotationsviskosimeter mit Sensorgeometrie, die kein berechenbares Strömungsfeld hat,

meist untemperierte Messzelle

Rotationsviskosimeter (relativ)

Vorteile:+einfach, leichte Handhabung+schnelle Messung+geringer Reinigungsaufwand+u.U. einzige Möglichkeit zu

messen+preisgünstig

Nachteile:- relativ - für Nicht-Newtonsche

Flüssigkeiten- nur vergleichbar mit gleichem

Sensor und gleichen Messbedingungen

- häufig Temperierfehler- grosser Messfehler

10

ICI Platte-Kegel Viskosimeter

11

Rotations-Viskosimeter

HAAKEViscotester 1/2

HAAKEMARS III

HAAKEViscotester 550

HAAKERheoStress 6000

HAAKECaBER 1

relative Messungen

absolute Messungen

Dehn-Rheometer

HAAKESeries 1

HAAKEViscotester 6/7

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Rheologische Bestimmungen bei Farben/lacken

R&D: Entwicklung und Formulierung QC von Rohstoffen

wie Bindemittel, Lösungsmittel, Pigmente, Füllstoffe und Additive

Formulierung wird eingestellt auf:• Mischverhalten

• Dispergierverhalten

• Pumpverhalten

• Homogenität

• Stabilität

• Applikation

Um die Dimension zu bestimmen von:• Leitungen

• Pumpen

• Rühkesseln

• Abfüllmaschinen

• Düsen

QC von Produkten Stabilität während Transport und Lagerung

• Keine Sedimentation, Ausflockung, Agglomeration, Coagulation

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Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit

Newtonsches Fließverhalten

Viskosität ist unabhängig von der

Schergeschwindigkeit

Beispiele: Wasser

Mineralöle Bitumen

Zuckerlösungen

log Schergeschwindigkeit [1/s].

log

Vis

kosi

tät h

[P

a∙s]

log

Sch

ub

span

nu

ng

t [

Pa]

Steigung 1

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Pseudoplastastizität/ Strukturviskoses Verhalten

Nahezu alle polymerhaltigen Fluide (z.B. Duschgel, ...)

Nicht-Newtonsches Fließverhalten

.

log

Sch

ub

span

nu

ng

[

Pa]

log Schergeschwindigkeit [1/s].

.

log Schergeschwindigkeit [1/s].

log

Vis

kosi

tät h

[P

a∙s]

Steigung = 1

Steigung > -0.82

= f () = f ()(M und W gemessen) (berechnet)

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Fließverhalten: "Rheology is a plot not a dot !"

(T = 40 °C)

t größergleich

kleiner

Problem: Widersprüchliche Ergebnisse durch Einpunktmessungen, erklärbar nur durch Messkurven

16

Strukturviskoses Fließverhalten

17

Viskosität: Scherraten - Abhängigkeit

10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 10410-2

10-1

100

101

102

103

Sedimentation

LagerungHaltbarkeit

Transport

Produktion

Applikation

Konsistenz im Kessel Streichen

SprayenRollen

Vis

cos

ität

in

Pa

· s

Scher Rate in s-1

Verlauf

Scherraten für verschiedene Farben-Lack-Applikationen

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Transport Eigenschaften

Pumpen, Rühren, Abfüllen

Beschichtung mit einer FarbeKraft während dem Streichen

Dicke der Beschichtung nach dem

Farbauftrag

Tröpfchengröse

Ablaufverhalten

Nasenbildung

Lagerverhalten Sedimentation

Phasen Separation

Transport Eigenschaften

Pumpen, Rühren, Abfüllen

Beschichtung mit einer FarbeKraft während dem Streichen

Dicke der Beschichtung nach dem

Farbauftrag

Tröpfchengröse

Ablaufverhalten

Nasenbildung

Lagerverhalten Sedimentation

Phasen SeparationExperiment soll Realität simulieren

v

y

g = m/sm

.

Experimentelle Bestimmung des Fliessverhaltens

Was will ich messen?

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Fliessgrenze

Ablaufverhalten

h

Direkt nach Auftrag aufdie Wand

Farbe ohne Fliessgrenze nach t1 > 0

Farbe mit Fliessgrenzet0 after t1 > 0

s

t0

20

Fliessgrenze

mit ohne

Scherkraftrampe (CS)Aufzeichnen der Scherkraft t und

Messung der resultierenden Deformation

d

Kreuzpunkt der beiden Tangenten zeigt

die Fliessgrenze

21

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

120

t [P

a]Extrapolation

Casson: 0 = 9 Pa

.

g [1/s]

.

Vorgabe:

CR-Rampe: Schergeschwindigkeit zunehmend mit der Zeit

Messung:

Schubspannung Ergebnis und Auswertung:

= f(), Extrapolation auf 0.

.

Fließgrenze bestimmen mit einer CR-Rampe

Extrapolation der Fließkurve mit rheologischem Modell-Kurvenfit

.

22

Screen Printing

Applikation Beispiel 1

Siebdruck

23

Siebdruck

Einsatz für z.B.: Electronische Leiterplatten!

Kunstwerke

Dekorativen Druck auf

schwierige Oberflächen

Textil Design

Marilyn Monroe (silkscreen by Andy Warhole 1962)

24

Schematische Beschreibung

Siebdruck

Substrate

Sieb R

Druckfarbe

Rakel

g1

.

g2

.

g3

.

g1 > g2 > g3

. . .

CR

CS

Bestimmung des nicht-

Newtonschen Verhaltens in

einem weiten Scherbereich

Fliessgrenzenbestimmung

Thixotropie Tests

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Thixotropie? Interessiert mich das?

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Thixotropie: Fläche innerhalb Thixotropie-Schleife

Vollständig reversibler Strukturabbau unter Scherung

Beispiele: Mayonnaise, Ketchup

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.1

1

10

100

1000

h [

Pa∙

s]

Fließkurve

Viskositätskurve

g [1/s].

t [P

a]

27

Farben / Putze

28

Thixotropie

- Gemessener Viskositätswert anfangs wechselnd, dann konstant - Dauer bis zum stationären Zustand hängt von Schergeschwindigkeit ab

- Kann mit einfachen Geräten durchgeführt werden

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Rheopexie (Antithixotropie)

Vollständig reversibler Strukturaufbau bei Scherung

Beispiele: Dispersionen mit hohem Feststoffgehalt (Latex, Gießschlicker, Plastisole) können

Rheopexie zeigen

Tipp: Bei Rheopexie stets die Messung wiederholen, da Rheopexie selten ist und häufig ein Artefakt vorliegt. echte Rheopexie ist sehr selten !

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Vorgabe: Schergeschwindigkeits-Rampe (steigend und fallend)

Messung: Schubspannung = f()Ergebnis: Berechnung der Viskosität =f (, t)

Ermittlung der Thixotropiefläche A.

.

Bestimmung der Thixotropie: Fließkurve.

A

Fließverhalten: Thixotropie und Rheopexie

Kurze Messzeit

Lange Messzeit

Messung im Gleichgewicht

Das Ergebnis des Thixotropie- Loops hängt von den

gewählten Parametern ab!

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Siebdruck

Thixotropie Test Methode

Bestimmung des ursprünglichen Zustandes

(tiefe Scherkraft, Scherrate, Oszillationrate)

Desaggregation bei konstanter Scherrate bis

ein konstantes Viskositätsnivea erreicht ist

Reaggregation (tiefe Scherkraft, Scherrate,

Oszillationrate)

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Experimentelle Bestimmung scherzeitabhängiger Phänomene:Thixotropie (Rheopexie)

Fließkurven(Fläche in Thixotropie-Schleife)

Ziel: Bestimmung der Viskositätserniedrigung bei Scherung und Strukturaufbau in der Ruhephase (ohne Scherung) zur Voraussage von Verlaufseigenschaften, Verstreichbarkeit,

Lagerstabilität, etc.

Fließverhalten: Thixotropie und Rheopexie

g.

t

Zeitkurven(Zeit für Strukturerholung)

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Applikation Beispiel 2

Sprayen

34

Spray Coating

Beste Ergebnisse bei

unebenen und komplexen

Oberflächen

Graffiti

35

Spray Coating

Su

bstrate

Compressed Air

Coating

Nozzle Transition

Atomization

Schematic Description

Atomisation ist der Prozess des

Bulkaufbrechens in kleine

Tröpfchen

Die Tröpfchengrösse ist unter

anderem abhängig vom

Fliessverhalten

Viskosität

Oberflächenspannung

Dichte

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Spray Coating

High Shear Geometrie

Kardangelenk

Selbstzentrierung bei hohen Geschwindigkeiten

Ungeeignet für tiefe Geschwindigkeiten

Three gap sizes

available

400 µm

25 µm

100 µm

HS 28 hardened cup

Suitable for TEF/Z28

37

Spray Coating

High Shear Messung einer keramischen Farbe

Maximum torque at 44.8 mNm

Maximum shear rate at 50000 s-1

38

Pulverbeschichtung

Applikation Beispiel 3

39

Pulverbeschichtung

Step 1: Vorbehandlung des UntergrundesStep 2: Applikation des PulversStep 3: thermisches Härten der Beschichtung

elektrostatische Sprühpistole positiv geladene Partikel

Mechanische

oder

chemische

Vorbehandlung

Thermische

(160 - 200°C)

oder

UV-Härtung

Erdung

Su

bstrat

40

t [s]

G'

[Pa]

G

" [

Pa]

0 500 1000 1500100

101

102

103

104

105

106

107

Temperatur steigt Viskosität fällt

Start der Reaktion

Härtung in 2 Schritten

Pulver schmilzt Voll durchgehärtete Beschichtung

Cross-over

Pulverbeschichtung

Elastischer Anteil G'

Viskoser Anteil G' '

41

Einweg-Messeinrichtungen

Anwendung:

Substanzen, die • bei der Vernetzung oder Aushärtung die

Messgeometrie verkleben• schwierig zu entfernen sind

+keine Reinigung erforderlich+höherer Probendurchsatz- Sorgfalt beim Zusammenstecken

erforderlich- geringere Parallelität der Platten

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Application Beispiel 4

Offset Druck

43

Offset Druck

ImpressionRoll

InkRoll

CoatingRoll

OffsetRoll

Schematische Beschreibung

Substrat

v = 500 - 1000 1/min

y ≈ 10 µm

g ≈ 1.0 · 106 s-1.

Druck Prozess: hohe Scherraten Normalerweise

Raumtemperatur

Normalerweise modifiziert der

Druckfarbenproduzent die

Farben auf die Anforderungen

der Druckmaschine

Druckfarben Eigenschaften:

Hochviskose Materialien

(40 – 100 Pa s)

44

Offset Druck

Der unerwünschte Effekt der Nebelbildung (Misting)

abhängig von:

Rotationsgeschwindigkeit der Druckrollen

Zusammensetzung der Druckfarbe

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Substrate

CoatingRoll

Offset Druck

Die Tendenz zum misting kann oft nicht mit rotations- oder

oszillations- Experimenten bestimmt werden!

Misting

Misting

Dehnregion

Moderate Geschwindigkeithohe Geschwindigkeit

46

Offset Druck

Die Lösung…

CaBER 1

47

Offset Druck

less misting

Zwei verschiedne Druckfarben mit fast identischem

Verhalten in Rotations- und Oszillationstestmethoden aber

signifikanten Unterschieden im Dehnverhalten!

48

Applikation Beispiel 5

Curtain Coating

49

Curtain Coating

Düse

Coating

Substrate

v ≈ 1 - 35 m/sBereich höherer Scherraten

Schematische Beschreibung

Pseudoplastisches Verhalten erwünscht für gleichmässige

Oberflächen

Kontaktlose Applikation

Geeignet für geringe Schichtdicken

Gleichmässige Oberfläche

Minimale Fliessgeschwindigkeit für

einen garantiert ununterbrochenen

Vorhang

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Curtain Coating

Korrelation des Filmrisses mit der Abrisszeit des CaBER Experiments

CaBER 1

Bestimmung des Dehnverhaltens

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Applikation Beispiel 6

UV Härtung

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UV Härtung

UV-Radiation

Cosmic RaysUltra Violet V

isib

le

InfraredX Rays

Radio Waves

vio

let

blu

eIndustrial CuringSchumann

GermicidalErythermal

Black Light

100 200 300 400

X-Rays

Gamma Rays

Bei der UV-Härtung wird eine chemische Reaktion durch Applikation

einer UV-Strahlung ausgelöst und führt eine flüssige Formulierung

in einen harten, gehärteten Film.

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Substrate UV-Quelle

Chemische Reaktion ausgelöst durch UV-Strahlung

Coating Material

UV Härtung

Übergang von flüssigem in festen Zustand Oszillationsmessung notwendig Rheometer mit Luftlager notwendig

Schematische Beschreibung

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UV Härtung

Beispiel für einen UV Härtungs-Prozess

Resultierende Information Endhärte des Produktes Aushärtungszeit

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UV Härtung

UV curing cell

notwendiges Zubehör

UV Quelle und Lichtleiter

→ Einweg-Geometrie

Luftlagerrheometer mit UV Messzelle