الريولوجيا للطلاءات والأحبار: مدخل عملي

الماء والزيوت البسيطة سوائل نيوتونية: لزوجتها مستقلة عن معدل القص المطبق ويمكن وصفها بقيمة واحدة. أما الطلاءات والأحبار والورنيشات ومشتتات الصبغات فتسلك سلوكاً غير نيوتوني دون استثناء تقريباً. ومعظمها يرقّ بالقص (shear thinning): كثيف ومبنيّ في حالة السكون، وأكثر سيولة بوضوح عند التحريك أو التطبيق. وهذا ليس عيباً بل خاصية يصممها مُعدّ التركيبة عن قصد.

لذلك تكون عبارة مثل «اللزوجة 2500 مللي باسكال·ثانية» بلا معنى ما لم يُذكر معدل القص ودرجة الحرارة عند القياس. فقد يُظهر الطلاء نفسه 50,000 مللي باسكال·ثانية عند 0.1 ث⁻¹ و150 عند 1000 ث⁻¹. ويلخص منحنى الجريان، أي اللزوجة مقابل معدل القص، سلوك المادة عبر عملية التطبيق كلها لا عند نقطة واحدة، ويحصل عليه مقياس الريولوجيا الدوراني في قياس واحد على مدى واسع من معدلات القص.

تقابل كل مرحلة في عمر الطلاء أو الحبر منطقة مختلفة من معدلات القص. فالتخزين والترسيب يحدثان عند 10⁻³ إلى 10⁻¹ ث⁻¹، والتسوية والترهل على السطح عند نحو 10⁻² إلى 1 ث⁻¹. ويولّد التطبيق بالفرشاة والأسطوانة 10² إلى 10³ ث⁻¹، بينما يبلغ الرش والطباعة الفلكسوغرافية والأوفست معدلات قص عالية جداً من 10⁴ إلى 10⁵ ث⁻¹. ولا تمثل نقطة القياس الواحدة سوى مرحلة واحدة من هذه المراحل.

النهج العملي هو قراءة منحنى الجريان في ثلاث مناطق. تتحكم لزوجة القص المنخفض في ثبات التخزين ومقاومة الترهل، ويتحكم المدى المتوسط في تسوية آثار الفرشاة والانسياب، وتحدد لزوجة القص العالي سهولة التطبيق وسماكة الفيلم وترذيذ الرش. وتوازن التركيبة الجيدة بين لزوجة عالية عند القص المنخفض ولزوجة منخفضة عند القص العالي؛ فقد يعطي طلاءان القيمة نفسها عند 1000 ث⁻¹ لكنهما يختلفان عشرة أضعاف عند 0.1 ث⁻¹ ويسلكان سلوكاً مختلفاً تماماً على الرف.

وللأحبار يهم الجريان التمددي (extensional) أيضاً: فطبقة الحبر المنفصلة عن أسطوانة الأنيلوكس أو بطانية الأوفست تتعرض للتمدد، ويرتبط الترذيذ (misting) أو تكوّن الخيوط بهذا السلوك. ولا تلتقط القياسات الدورانية ذلك بالكامل، لكنها تقدّم مؤشرات قوية عند تقييمها مع لزوجة القص العالي والبنية اللزجة المرنة.

يصف الترقق بالقص كيف تتغير اللزوجة مع معدل القص؛ وتضيف الثيكسوتروبية بُعد الزمن، فتصف مدى سرعة إعادة بناء البنية بعد إزالة القص. وهذا التمييز حاسم للطلاء: فالطلاء الخارج من الفرشاة يجب أن يكون منخفض اللزوجة لتتسوى آثار الفرشاة، لكن إذا استعادت البنية نفسها ببطء شديد ترهل الطلاء على الأسطح العمودية، وإذا استعادتها بسرعة شديدة ساءت التسوية. فالثيكسوتروبية الصحيحة مسألة توازن.

الطريقة القياسية لقياس هذا التوازن هي اختبار الثيكسوتروبية ثلاثي الفترات (3ITT). في الفترة الأولى تُسجَّل البنية الأولية عند معدل قص منخفض (أو تذبذب منخفض السعة)، وفي الثانية يُطبَّق معدل قص عالٍ يحاكي التطبيق، وفي الثالثة تعود المادة إلى القص المنخفض مع متابعة استعادة اللزوجة (أو المعامل G′) مع الزمن. ويعطي الزمن اللازم لاستعادة خمسين أو تسعين بالمئة من القيمة الأولية رقماً ملموساً لمقارنة تركيبتين.

ما زالت المقاربات القديمة مثل «مؤشر الثيكسوتروبية» (نسبة اللزوجتين عند سرعتين) أو مساحة حلقة التخلفية تُستخدم للمقارنة السريعة، لكنها لا تحتوي على معلومات زمنية ولذلك تتنبأ بسلوك التطبيق بشكل ضعيف. وإذا ترهل منتج أو ترك آثار فرشاة، فالإجابة تكاد تكون دائماً في الفترة الثالثة من بيانات 3ITT.

إجهاد الخضوع هو الحد الأدنى من الإجهاد الذي يجب تجاوزه قبل أن تبدأ المادة بالجريان. وهو الكمية التي تتحكم مباشرة في ترسب الصبغة وانفصال الأطوار في العبوة والترهل على الأسطح العمودية: فإذا بقي الإجهاد الناتج عن وزن جسيم صبغة ثقيل دون إجهاد الخضوع، يظل الجسيم معلقاً. ويُقاس إجهاد الخضوع بطرق مثل منحدر الإجهاد المتحكم به أو القص الثابت بمعدل منخفض، وينبغي ذكر الطريقة في التقرير لأن الطرق المختلفة تعطي قيماً مختلفة.

تستجوب الاختبارات التذبذبية المادة دون إجرائها، باستخدام تشوه جيبي صغير السعة. يمثل معامل التخزين G′ البنية المرنة (الشبيهة بالصلب) ويمثل معامل الفقد G″ السلوك اللزج (الشبيه بالسائل). وفي مسح السعة تُظهر المنطقة اللزجة المرنة الخطية، حيث يبقى G′ ثابتاً، مدى متانة البنية، بينما تحدد نقطة تقاطع G′ وG″ الانتقال إلى الجريان. والطلاء الساكن الذي فيه G′ > G″ يمتلك بنية شبكية وسيبقى مستقراً في التخزين.

يُظهر مسح التردد كيف تسلك البنية نفسها على مقاييس زمنية مختلفة ويساعد في تمييز نوع الرابط البوليمري أو معدِّل الريولوجيا (إيثرات السليلوز، HEUR، HASE، الطين العضوي). ويتابع منحدر درجة الحرارة المعالجة والتهلم وتأثيرات حرارة التخزين. وتبني هذه الاختبارات معاً «بصمة بنيوية» لا يمكن لقيمة لزوجة واحدة أن توفرها أبداً.

تكتسب البيانات الريولوجية قيمتها عندما تُطابَق بعيب في التطبيق. فالترهل يشير إلى لزوجة غير كافية عند القص المنخفض أو إلى بطء استعادة البنية؛ وسوء التسوية إلى استعادة أسرع من اللازم أو إجهاد خضوع مرتفع جداً؛ والترسب في التخزين إلى إجهاد خضوع منخفض أو انخفاض G′ مع الزمن؛ وانسداد مسدس الرش إلى لزوجة لا تنخفض بما يكفي عند القص العالي. ولكل عيب نظير على المنحنى، ويبدأ التصحيح بإضافة معدِّل الريولوجيا المناسب بالكمية المناسبة.

لمقارنة الدفعات نوصي بتعريف ثلاثية منحنى الجريان و3ITT ومسح السعة كمعيار قبول قياسي بدلاً من نقطة لزوجة واحدة. تكشف هذه الثلاثية انحرافاً في دفعة مادة خام أو تشتيتاً غير كافٍ في الإنتاج قبل وصول المنتج إلى الميدان. وعند تقييم البيانات الريولوجية إلى جانب قياسات مظهر السطح مثل اللمعان والضبابية وDOI، يصبح تأثير عيوب التسوية على جودة الفيلم النهائي مرئياً مباشرة.

تخطط NAKTEM قياسات منحنى الجريان و3ITT وإجهاد الخضوع والاختبارات التذبذبية على العينة نفسها لتركيبات الطلاءات والأحبار، وتفسر النتائج بلغة عملية التطبيق. وتتيح السحبات والمطبوعات القياسية المعدّة بجهاز إثبات الطباعة مطابقة البيانات الريولوجية بسلوك الانتقال والمظهر الفعلي.