رئولوژی برای پوشش‌ها و مرکب‌ها: راهنمای کاربردی مقدماتی

آب و روغن‌های ساده سیالات نیوتنی هستند: ویسکوزیتهٔ آن‌ها مستقل از نرخ برش اعمال‌شده است و با یک مقدار واحد توصیف می‌شود. در مقابل، رنگ‌ها، مرکب‌ها، ورنی‌ها و پراکنه‌های رنگدانه تقریباً بدون استثنا رفتار غیرنیوتنی دارند. بیشتر آن‌ها رقیق‌شونده با برش (shear thinning) هستند: در حالت سکون غلیظ و ساختاریافته، و هنگام هم زدن یا اعمال به‌طور محسوس روان‌تر. این یک عیب نیست، بلکه ویژگی‌ای است که فرمولاتور عمداً طراحی می‌کند.

بنابراین عبارتی مانند «ویسکوزیته ۲۵۰۰ میلی‌پاسکال‌ثانیه» بدون ذکر نرخ برش و دمای اندازه‌گیری بی‌معناست. یک رنگ واحد ممکن است در ۰٫۱ بر ثانیه ۵۰٬۰۰۰ و در ۱۰۰۰ بر ثانیه ۱۵۰ میلی‌پاسکال‌ثانیه نشان دهد. منحنی جریان، یعنی نمودار ویسکوزیته بر حسب نرخ برش، رفتار ماده را در کل فرایند اعمال خلاصه می‌کند نه در یک نقطه، و رئومتر چرخشی آن را در یک اندازه‌گیری در بازهٔ گسترده‌ای از نرخ برش به دست می‌آورد.

هر مرحله از عمر یک رنگ یا مرکب با ناحیهٔ متفاوتی از نرخ برش متناظر است. انبارش و ته‌نشینی در ۱۰⁻³ تا ۱۰⁻¹ بر ثانیه، و هم‌سطح شدن (levelling) و شره کردن (sagging) روی سطح در حدود ۱۰⁻² تا ۱ بر ثانیه رخ می‌دهد. اعمال با قلم‌مو و غلتک ۱۰² تا ۱۰³ بر ثانیه تولید می‌کند، در حالی که پاشش، چاپ فلکسو و افست به نرخ‌های برش بسیار بالای ۱۰⁴ تا ۱۰⁵ بر ثانیه می‌رسند. یک نقطهٔ اندازه‌گیری تنها یکی از این مراحل را نمایندگی می‌کند.

رویکرد کاربردی این است که منحنی جریان را در سه ناحیه بخوانیم. ویسکوزیتهٔ برش پایین پایداری انبارش و مقاومت در برابر شره را تعیین می‌کند، ناحیهٔ میانی محو شدن رد قلم‌مو و گسترش را، و ویسکوزیتهٔ برش بالا سهولت اعمال، ضخامت فیلم و اتمیزاسیون پاشش را. فرمولاسیون خوب، ویسکوزیتهٔ بالا در برش پایین را با ویسکوزیتهٔ پایین در برش بالا متعادل می‌کند؛ دو رنگ ممکن است در ۱۰۰۰ بر ثانیه مقدار یکسانی بدهند اما در ۰٫۱ بر ثانیه ده برابر تفاوت داشته باشند و در قفسه رفتاری کاملاً متفاوت نشان دهند.

برای مرکب‌ها جریان کششی (extensional) نیز اهمیت دارد: فیلم مرکب هنگام جدا شدن از غلتک آنیلوکس یا بلانکت افست تحت کشش قرار می‌گیرد و مه‌پاشی (misting) یا رشته‌ای شدن با این رفتار مرتبط است. اندازه‌گیری‌های چرخشی آن را به‌طور کامل ثبت نمی‌کنند، اما در کنار ویسکوزیتهٔ برش بالا و ساختار ویسکوالاستیک، نشانه‌های قوی به دست می‌دهند.

رقیق‌شوندگی با برش توصیف می‌کند ویسکوزیته چگونه با نرخ برش تغییر می‌کند؛ تیکسوتروپی بُعد زمان را می‌افزاید و توصیف می‌کند پس از حذف برش، ساختار با چه سرعتی بازسازی می‌شود. برای رنگ، این تمایز حیاتی است: رنگی که از قلم‌مو خارج می‌شود باید ویسکوزیتهٔ پایین داشته باشد تا رد قلم‌مو محو شود، اما اگر ساختار بسیار کند بازیابی شود روی سطوح عمودی شره می‌کند و اگر بسیار سریع بازیابی شود هم‌سطح شدن ضعیف است. تیکسوتروپی درست، مسئلهٔ تعادل است.

روش استاندارد سنجش این تعادل، آزمون تیکسوتروپی سه‌بازه‌ای (3ITT) است. در بازهٔ اول ساختار اولیه در نرخ برش پایین (یا نوسان با دامنهٔ کم) ثبت می‌شود، در بازهٔ دوم نرخ برش بالایی که اعمال را شبیه‌سازی می‌کند اعمال می‌گردد، و در بازهٔ سوم ماده به برش پایین بازمی‌گردد و بازیابی ویسکوزیته (یا مدول G′) در طول زمان دنبال می‌شود. زمان رسیدن به پنجاه یا نود درصد مقدار اولیه، عددی ملموس برای مقایسهٔ دو فرمولاسیون می‌دهد.

رویکردهای قدیمی‌تر مانند «شاخص تیکسوتروپی» (نسبت ویسکوزیته در دو سرعت) یا مساحت حلقهٔ هیسترزیس هنوز برای مقایسهٔ سریع به کار می‌روند، اما چون اطلاعات زمانی ندارند، پیش‌بینی‌کننده‌های ضعیفی برای رفتار هنگام اعمال هستند. اگر محصولی شره می‌کند یا رد قلم‌مو باقی می‌گذارد، پاسخ تقریباً همیشه در بازهٔ سوم داده‌های 3ITT یافت می‌شود.

تنش تسلیم حداقل تنشی است که باید از آن فراتر رفت تا ماده شروع به جریان کند. این کمیت مستقیماً ته‌نشینی رنگدانه، جدایش فاز در قوطی و شره کردن روی سطح عمودی را تعیین می‌کند: اگر تنش ناشی از وزن یک ذرهٔ سنگین رنگدانه زیر تنش تسلیم بماند، ذره معلق می‌ماند. تنش تسلیم با روش‌هایی مانند رمپ تنش کنترل‌شده یا برش ثابت با نرخ پایین اندازه‌گیری می‌شود و روش به‌کاررفته باید در گزارش ذکر شود، زیرا روش‌های مختلف مقادیر متفاوتی می‌دهند.

آزمون‌های نوسانی ماده را بدون جاری کردن آن، با تغییرشکل سینوسی با دامنهٔ کوچک بررسی می‌کنند. مدول ذخیره G′ ساختار الاستیک (جامدگونه) و مدول اتلاف G″ رفتار ویسکوز (مایع‌گونه) را نشان می‌دهد. در جاروب دامنه، ناحیهٔ ویسکوالاستیک خطی که در آن G′ ثابت می‌ماند نشان می‌دهد ساختار چقدر مقاوم است، و نقطهٔ تقاطع G′ و G″ گذار به جریان را مشخص می‌کند. رنگی در حالت سکون با G′ > G″ ساختار شبکه‌ای دارد و در انبار پایدار می‌ماند.

جاروب فرکانس نشان می‌دهد همان ساختار در مقیاس‌های زمانی مختلف چگونه رفتار می‌کند و به تشخیص نوع بایندر پلیمری یا اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی (اترهای سلولزی، HEUR، HASE، ارگانوکلی) کمک می‌کند. رمپ دما، پخت، ژل شدن و اثرات دمای انبارش را دنبال می‌کند. این آزمون‌ها در کنار هم «اثر انگشت ساختاری» می‌سازند که یک مقدار ویسکوزیتهٔ واحد هرگز نمی‌تواند فراهم کند.

داده‌های رئولوژی زمانی ارزشمند می‌شوند که با یک عیب اعمال تطبیق داده شوند. شره کردن به ویسکوزیتهٔ ناکافی در برش پایین یا بازیابی کند ساختار اشاره دارد؛ هم‌سطح شدن ضعیف به بازیابی بسیار سریع یا تنش تسلیم بسیار بالا؛ ته‌نشینی در انبار به تنش تسلیم پایین یا کاهش G′ با زمان؛ و گرفتگی تفنگ پاشش به ویسکوزیته‌ای که در برش بالا به اندازهٔ کافی کاهش نمی‌یابد. هر عیب همتایی روی منحنی دارد و اصلاح با افزودن اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی درست به مقدار درست آغاز می‌شود.

برای مقایسهٔ بچ‌ها پیشنهاد می‌کنیم به‌جای یک نقطهٔ ویسکوزیته، سه‌گانهٔ منحنی جریان، 3ITT و جاروب دامنه را به‌عنوان معیار پذیرش استاندارد تعریف کنید. این سه‌گانه انحراف در بچ مادهٔ خام یا پراکنش ناکافی در تولید را پیش از رسیدن محصول به بازار شناسایی می‌کند. وقتی داده‌های رئولوژی در کنار اندازه‌گیری‌های ظاهر سطح مانند براقیت، مه‌آلودگی و DOI ارزیابی شوند، اثر عیوب هم‌سطح شدن بر کیفیت نهایی فیلم مستقیماً دیده می‌شود.

NAKTEM برای فرمولاسیون‌های پوشش و مرکب، اندازه‌گیری‌های منحنی جریان، 3ITT، تنش تسلیم و نوسانی را روی یک نمونهٔ واحد برنامه‌ریزی می‌کند و نتایج را به زبان فرایند اعمال تفسیر می‌کند. کشش‌ها و چاپ‌های استاندارد تهیه‌شده با دستگاه پروف چاپ امکان تطبیق داده‌های رئولوژیک با رفتار واقعی انتقال و ظاهر را فراهم می‌کنند.