Реологические условия диспергирования

(Реология – наука, изучающая законы течения жидкостей, высоковязких паст и твердых тел под влиянием механического воздействия. Микрореология изучает законы течения дисперсных систем, течение которых зависит не только от свойств составляющих компонентов, но и от их взаимодействия между собой на молекулярном уровне.)

Образование структур в растворах вызывает не только резкое возрастание эффективной вязкости, но и изменяет характер течения этих систем под действием прилагаемых сил. При низких концентрациях до начала ассоциации молекул имеет место ньютоновское течение. В этой области концентраций скорость течения (деформации) пропорциональна приложенному напряжению. Коэффициентом пропорциональности является величина, называемая текучестью. (Текучесть — величина обратная вязкости.)

Вязкость дисперсий зависит как от вязкости жидкости, так и от количества и свойств твердой фазы, наполняющей систему. Эти величины связаны уравнением:

Это уравнение справедливо если: 1) частицы твердой фазы имеют сферическую форму, 2) суспензии разбавленные, 3) в системах нет взаимодействия между фазами. Для лакокрасочных систем, все эти условия не соблюдаются. Тем не менее, в несколько видоизмененном виде это уравнение дает возможность удовлетворительно определять вязкость дисперсий:

Вязкость дисперсий резко возрастает при достижении jкр, когда возникают контакты между твердыми частицами и они образуют собственную объемную структурную сетку.

Структурирование в растворах полимеров, усложненное пигментированием системы, приводит к тому, что для начала течения красочных систем необходимо приложить определенное напряжение для разрушения образовавшейся структуры. Это напряжение носит название предела текучести или предельного напряжения сдвига t0. Начавшееся течение отличается от ньютоновского, так как скорость деформации сдвига g не пропорциональна приложенному напряжению t. Течение таких систем описывается уравнением:

Течение систем, имеющих отличное от нуля значение предельного напряжения сдвига (t0) и n<1, называют пластическим. Если t0 близко к нулю и n<. 1, течение называют псевдопластическим, f при n > 1 — дилатантным.

У жидкостей и дисперсий с пластическим и псевдопластическим течением при увеличении скорости сдвига до некоторого критического значения происходит разрушение внутренней структуры. Следовательно вязкость снижается до некоторого постоянного значения и далее такие системы ведут себя как ньютоновские неструктурированные жидкости, наиболее приемлемые для диспергирования.

В спокойном состоянии (без механического воздействия) в системе образуются новые связи и структуры, аналогичные разрушенным, и вязкость вновь возрастает, система загустевает. Этот обратимый процесс, называемый тиксотропией,
имеет очень большое значение как в технологии изготовления лакокрасочных материалов, гак и в технологии окраски. Тиксотропия характеризуется периодом релаксации — временем, необходимым для самопроизвольного восстановления структуры.

В высоконаполненных дисперсиях из-за недостатка жидкости при больших скоростях сдвига вязкость резко возрастает. Такие системы называют дилатантными. Для диспергирования они непригодны. На рис. 3.14 приведены кривые течения жидкостей разных реологических типов.

Различают тиксотропию вязкостную,
обусловленную структурированием олигомеров и полимеров в растворах и расплавах, и прочностную, обусловленную образованием коагуляционной сетки из твердых частиц при j > jкр, т. е. при недостатке связующего. Возможно образование и смешанных взаимно пронизывающих друг друга пигментных и полимерных структур, образующих более прочные тиксотропные системы.

На рисунке показана типичная зависимость предельного напряжения сдвига пигментных паст от концентрации растворов олигомеров. Предельное напряжение сдвига t0 при смачивании пигмента раствором пленкообразователя резко падает до точки А.
Затем прочность пасты снова несколько возрастает за счет флокуляции и коагуляции до точки Б. При дальнейшем увеличении содержания пленкообразователя частицы пигмента покрываются адсорбционными оболочками (точка В) и скользят в избытке жидкости, которая теперь и определяет прочность. Эта концентрация соответствует переходу из области структурирования II в III  и обычно составляет 20—25% (масс.). Эта концентрация пленкообразователя и является оптимальной для диспергирования пигментов.

Реологическая характеристика пигментных паст определяет выбор оптимального соотношения между пигментами, пленкообразователями и растворителями; тип диспергирующего оборудования и гидродинамический режим, требующий наименьших энергетических затрат.