涂料的触变性


依时性流体与非依时性流体:前边介绍的各种流体,其粘度值与受到剪切作用的持续时间无关,只要其它物理条件不变,粘度值与剪切速率或剪切应力存在一一对应关系。这种粘度不受剪切作用时间影响而变化的流体称为非依时性流体。还有一些流体,其粘度值除了与剪切速率或剪切应力有关外,还与受到剪切作用的持续时间有关,这种流体称为依时性流体。举例来说,以恒定的转速分别搅拌依时性流体和非依时性流体,在不同的时间点,非依时性流体的粘度保持不变,而依时性流体的粘度则呈现不同的数值。

依时性流体分为震凝性流体与触变性流体两种。

震凝性流体:在恒定的剪切速率下,粘度随着剪切时间的推移而上升,逐渐达到一个常数(最高值),若停止剪切作用,粘度可以恢复到最初的数值。震凝性流体在铸造涂料中不常见到,本文不再详述。

触变性流体:在恒定的剪切速率下,触变性流体的粘度值随着剪切时间的延长而下降,并趋于一个常数(最低值),若剪切作用停止,粘度又随着时间而回升,(大多数触变性流体)经过数小时或更长时间后可以恢复到最初的粘度。绝大多数时间依赖性流体是触变性流体(thixotropic fluid)。触变性流体内的质点间形成结构,流动时结构破坏,停止流动时结构恢复,但结构破坏与恢复都不是立即完成的,需要一定的时间,因此系统的流动性质有明显的时间依赖性。

触变性的英文是Thixotropy,由弗罗因德利希(H.M.F.Freundlich 1928)发现。将Thixotropy翻译为触变性可能是取自“一触即变”的意思,中文术语完整对应希腊词根"thixis"(触摸)与"tropos"(变化),准确反映其"接触引发流变"的特性‌。触变性又称为“摇变性”或”摇溶”现象。

产生触变性的机理:触变性是一个较为复杂的问题,产生触变性的原因并不十分清楚。比较公认的看法是,具有触变性的流体内存在着空间网络结构,比如蒙脱石在水中形成的“卡片屋”结构和凹凸棒土在水中形成的“框架”式结构。在一定的剪切条件下,流体内部的结构被打散或破坏,并随着时间推移而逐步进行,表现为粘度下降。剪切作用停止后,受到破坏的结构又逐步恢复,粘度上升。这一过程也是需要时间的,粘度的恢复有明显的时间依赖性,即表现为触变性。如果剪切作用持续时间足够长,则会同时发生结构的破坏与恢复,当结构的破坏速度与恢复速度达到平衡时,粘度达到一个最小值且不再变化。

两种流体在恒定的剪切速率下,其表观粘度均随着时间而递减,达到同一表观黏度所需时间越长者触变性越高,短者触变性低,时间为0的就是无触变性。

材料受到剪切后,材料内部结构逐渐破坏,当剪切除去后,材料的结构逐渐形成;由于材料结构破坏速率和结构形成速率不同,产生滞后环,又称为触变环。 大部分的情况是粘度的恢复比粘度的下降慢,这是因为流体内部结构被打散或破坏的过程是在外力作用下被动进行的,宏观上流体是运动的,因而这个过程可以很快进行,而外力停止作用后,流体在宏观上是静止的,流体内部结构的恢复主要靠微观运动(比如布朗运动)进行,因而这个过程比较缓慢。也有少数情况下粘度恢复速度比下降速度更快,这在铸造涂料中并不常见。

有许多文献指出,触变性有两个含义:1)剪切时结构破坏,剪切停止时结构恢复,这个过程是可逆的;2)结构的破坏与恢复与时间有关,结构的强度变化是时间的函数。前者被称为切稀性,反映涂料粘度随剪切速率变化的规律;后者被称为依时性,反映涂料粘度随时间的变化规律。切稀性和依时性是涂料触变性的两个方面,而且他们对涂料工艺性能也有着不同的影响,所以将它们分别作为流变参数来评价涂料工艺性能比采用触变性这一笼统概念更合适些,因此可以将切稀性定义为结构触变特性,依时性定义为时间触变特性。

触变性的测定和衡量:

关于分散体系触变性的测定方法,比较常用的方法,有触变环法、触变指数法。

触变环法的试验原理为:当剪切速率从0连续增加到一个定值再从这个定值逐渐下降到0并测定其应力随剪切速率的变化,做出剪切应力—剪切速率曲线。将剪切速率增大对应的曲线记为上行线,剪切速率减小对应的曲线记为下行线。上行线和下行线并不重合,形成封闭曲线,这一封闭的环称为触变环,也称为滞后环,如图所示:

触变环1

触变环或滞后环的形成可作如下解释:在一定的剪切速率下,由于受到剪切应力作用,触变性体系中网络结构被拆散。增加剪切速率使得结构拆散程度增加。在下行线中剪切速率逐渐降低,此时拆散的质点上来不及重新组合,所以剪切应力比上行线中剪切速率所对应的值要低一些。

涂料的触变性不同,所得到的触变环大小也不同, 触变环的面积越大则触变性越大,反之则越小,面积为零(上下两线重合)则无触变性。

虽然此种方法是常用方法之一,但是,在触变性的测定过程中,剪切速率和作用时间两个变量同时变化,而触变性体系的响应既与剪切速率的大小有关,又与剪切速率的作用时间有关, 通过此种方法判 定胶粘剂的触变性,不如触变指数法简单、直观。

触变指数(又称触变率)的意义为在两种不同转速条件下,低转速的表观粘度与高转速表观粘度的比值,反映出 流体在剪切力作用下结构被破坏后恢复原有结构能力的好坏。

用NDJ-1型粘度计测定触变指数:转子转速固定(相对剪切速率为30r/min),分别测定剪切时间为10min的表观粘度η10和剪切时间为0.5min的表观粘度η0.5,把粘度下降的百分比定义为触变指数:

触变指数=(η0.5 - η10)/ η0.5 x 100%.

触变指数越大,则触变率越高。

触变指数有可能是负值,这种情况为负触变性,在铸造涂料中不常见。

触变性流体与假塑性流体的对比:

这两种流体都具有剪切稀释的特性,在剪切作用停止后又会变稠。两者的区别在于,假塑性流体的粘度仅仅与剪切应力或剪切速率有关,剪切作用越强,则粘度越低,在剪切作用维持不变时,其粘度则为定值,剪切作用停止后,粘度立即恢复至原始值。(见图)

流变性涂料

触变性流体即使在剪切作用维持不变的条件下,其粘度值仍然随着时间的延长而下降,剪切作用停止后,其粘度不是马上恢复原始值,而是需要一段时间。(见图)。

触变性涂料

在实际生产中涂料使用性能常决定于是否有良好的触变性,触变性尤其对改善涂料的流平性能具有重要意义。以刷涂为例,刷子离开涂料后往往在表面留下一些刷痕,如果涂料只具备剪切稀释性而不具备触变性,则涂料稠度马上上升,刷痕不能马上流平,形成刷痕。触变性的存在使涂料粘度的上升有一个滞后,留下充足的时间使刷痕在表面张力的作用下流平。

触变性与假塑性

关于触变性对涂料性能的影响,请参见“涂料的流变性能对其工艺性能的影响”。

本版块内容目录:

  1. 涂料的常温理化性能:密度,波美度,含固量、酸碱度
  2. 流变性能:
  3. 悬浮性
  4. 存放稳定性(防腐和防冻)
  5. 施涂性能:刷涂、流涂、浸涂与喷涂
  6. 渗透性
  7. 烘干性能、点燃性能及涂层质量

考考你:

阅读完本版块的主要章节后,您就可以知道:

从流变学角度看,铸造涂料属于什么类型的流体?

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