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The world leader in serving science Paints and Coatings Viktor Kürsteiner Tracomme AG.

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Präsentation zum Thema: "The world leader in serving science Paints and Coatings Viktor Kürsteiner Tracomme AG."—  Präsentation transkript:

1 The world leader in serving science Paints and Coatings Viktor Kürsteiner Tracomme AG

2 2 Wovon ist die Viskosität abhängig? Chem./physikal. Beschaffenheit = f ( S ) Temperatur = f ( T ) Druck = f ( p ) Schergeschwindigkeit = f ( ) Zeit = f ( t ) Scherzeit, Ruhezeit Anderez. 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.: = 1,4 Pas (20°C, 100 s -1, nach 1 min Vorscherung mit 200 s -1 ).

3 3 Wie ist die Viskosität definiert? Viskosit ät Schergeschwindigkeit Schubspannung = Drehzahl Scherfaktor M Drehmoment M d 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 4 Bestimmung der Viskosität A F, v h. Viskosität (dynamisch) [Pas] Schubspannung [Pa] Deformation [-] Schergeschwindigkeit [1/s]. Die Viskosität kann nur indirekt bestimmt werden: Die Berechnung der Viskosität ist nur für laminare Strömungen möglich!

5 5 Viskosität ausgewählter Fluide bei 20°C Luft0,02 mPas0,00002 Pas Petrol0,65 mPas0,00065 Pas Wasser1 mPas0,001 Pas Quecksilber1,5 mPas 1,5 Pas Traubensaft 2 – 5 mPas 0,002 Pas Blut (bei 37°) 4 – 15 mPas0,004 Pas Kafferahm 10 mPas 0,01 Pas Olivenöl 100 mPas0,1 Pas Honig mPas 10 Pas Teer mPas 1000 Pas Bitumen mPas 0,1 MPas Graphit 1E26 mPas 1E11 GPas

6 6 =Dynamische (Scher-)Viskosität [Pas] = / 1 Pas = 1000 mPas 1 mPa s = 1cP (centi Poise) =Schubspannung (Scherspannung) [Pa] =Schergeschwindigkeit [1/s] =Kinematische Viskosität [mm 2 /s] = / 1 mm 2 /s = 1 cSt (centi Stokes) = Dichte [kg/m 3 ] rel =Relative Viskosität [-] rel = 1 / 2 z.B.: HAAKE-Einheiten Viskositäten und deren Einheiten (Rotations-, Kugelfall-, Kapillar-Viskosimeter)..

7 7 Strassenteer- Viskosimeter Auslaufbecher DIN Ford Auslaufbecher Eintauchbecher

8 8 Auslaufbecher Messung der Zeit t (für ein definiertes Volumen) Sekunden als Index für die Viskosität The Ford-Cup Methode 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

9 9 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 10 ICI Platte-Kegel Viskosimeter

11 11 Rotations-Viskosimeter HAAKE Viscotester 1/2 HAAKE MARS III HAAKE Viscotester 550 HAAKE RheoStress 6000 HAAKE CaBER 1 relative Messungen absolute Messungen Dehn- Rheometer HAAKE Series 1 HAAKE Viscotester 6/7

12 12 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

13 13 Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit Newtonsches Fließverhalten Viskosität ist unabhängig von der Schergeschwindigkeit Beispiele: Wasser Mineralöle Bitumen Zuckerlösungen log Schergeschwindigkeit [1/s]. log Viskosität [Pas] log Schubspannung [Pa] Steigung 1

14 14 Pseudoplastastizität/ Strukturviskoses Verhalten Nahezu alle polymerhaltigen Fluide (z.B. Duschgel,...) Nicht-Newtonsches Fließverhalten. log Schubspannung [Pa] log Schergeschwindigkeit [1/s]... log Viskosität [Pas] Steigung = 1 Steigung > = f ( ) = f ( ) (M und gemessen) (berechnet)

15 15 Fließverhalten: "Rheology is a plot not a dot !" (T = 40 °C) größer gleich kleiner Problem: Widersprüchliche Ergebnisse durch Einpunktmessungen, erklärbar nur durch Messkurven

16 16 Strukturviskoses Fließverhalten

17 17 Viskosität: Scherraten - Abhängigkeit Sedimentation Lagerung Haltbarkeit Transport Produktion Applikation Konsistenz im Kessel Streichen Sprayen Rollen Viscosität in Pa · s Scher Rate in s -1 Verlauf Scherraten für verschiedene Farben-Lack-Applikationen

18 18 Transport Eigenschaften Pumpen, Rühren, Abfüllen Beschichtung mit einer Farbe Kraft während dem Streichen Dicke der Beschichtung nach dem Farbauftrag Tröpfchengröse Ablaufverhalten Nasenbildung Lagerverhalten Sedimentation Phasen Separation Transport Eigenschaften Pumpen, Rühren, Abfüllen Beschichtung mit einer Farbe Kraft während dem Streichen Dicke der Beschichtung nach dem Farbauftrag Tröpfchengröse Ablaufverhalten Nasenbildung Lagerverhalten Sedimentation Phasen Separation Experiment soll Realität simulieren v y = m/s m. Experimentelle Bestimmung des Fliessverhaltens Was will ich messen?

19 19 Fliessgrenze Ablaufverhalten h Direkt nach Auftrag auf die Wand Farbe ohne Fliessgrenze nach t 1 > 0 Farbe mit Fliessgrenze 0 after t 1 > 0 s 0

20 20 Fliessgrenze mit ohne Scherkraftrampe (CS) Aufzeichnen der Scherkraft und Messung der resultierenden Deformation Kreuzpunkt der beiden Tangenten zeigt die Fliessgrenze

21 21 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 22 Screen Printing Applikation Beispiel 1 Siebdruck

23 23 Siebdruck Einsatz für z.B.: Electronische Leiterplatten! Kunstwerke Dekorativen Druck auf schwierige Oberflächen Textil Design Marilyn Monroe (silkscreen by Andy Warhole 1962)

24 24 Schematische Beschreibung Siebdruck Substrate Sieb R Druckfarbe Rakel > 2 > 3... CR CS Bestimmung des nicht- Newtonschen Verhaltens in einem weiten Scherbereich Fliessgrenzenbestimmung Thixotropie Tests

25 25 Thixotropie? Interessiert mich das?

26 26 Thixotropie: Fläche innerhalb Thixotropie-Schleife Vollständig reversibler Strukturabbau unter Scherung Beispiele: Mayonnaise, Ketchup [Pas] Fließkurve Viskositätskurve [1/s]. [Pa]

27 27 Farben / Putze

28 28 Thixotropie - Gemessener Viskositätswert anfangs wechselnd, dann konstant - Dauer bis zum stationären Zustand hängt von Schergeschwindigkeit ab - Kann mit einfachen Geräten durchgeführt werden

29 29 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 !

30 30 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!

31 31 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)

32 32 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. t Zeitkurven (Zeit für Strukturerholung)

33 33 Applikation Beispiel 2 Sprayen

34 34 Spray Coating Beste Ergebnisse bei unebenen und komplexen Oberflächen Graffiti

35 35 Spray Coating Substrate 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

36 36 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 37 Spray Coating High Shear Messung einer keramischen Farbe Maximum torque at 44.8 mNm Maximum shear rate at s -1

38 38 Pulverbeschichtung Applikation Beispiel 3

39 39 Pulverbeschichtung Step 1: Vorbehandlung des UntergrundesStep 2: Applikation des Pulvers Step 3: thermisches Härten der Beschichtung elektrostatische Sprühpistole positiv geladene Partikel Mechanische oder chemische Vorbehandlung Thermische ( °C) oder UV-Härtung Erdung Substrat

40 40 t [s] G' [Pa] G" [Pa] 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 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

42 42 Application Beispiel 4 Offset Druck

43 43 Offset Druck Impression Roll Ink Roll Coating Roll Offset Roll Schematische Beschreibung Substrat v = /min y 10 µm 1.0 · 10 6 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 44 Offset Druck Der unerwünschte Effekt der Nebelbildung (Misting) abhängig von: Rotationsgeschwindigkeit der Druckrollen Zusammensetzung der Druckfarbe

45 45 Substrate Coating Roll Offset Druck Die Tendenz zum misting kann oft nicht mit rotations- oder oszillations- Experimenten bestimmt werden! Misting Dehnregion Moderate Geschwindigkeit hohe Geschwindigkeit

46 46 Offset Druck Die Lösung… CaBER 1

47 47 Offset Druck less misting Zwei verschiedne Druckfarben mit fast identischem Verhalten in Rotations- und Oszillationstestmethoden aber signifikanten Unterschieden im Dehnverhalten!

48 48 Applikation Beispiel 5 Curtain Coating

49 49 Curtain Coating DüseCoating Substrate v m/s Bereich 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

50 50 Curtain Coating Korrelation des Filmrisses mit der Abrisszeit des CaBER Experiments CaBER 1 Bestimmung des Dehnverhaltens

51 51 Applikation Beispiel 6 UV Härtung

52 52 UV Härtung UV-Radiation Cosmic Rays Ultra Violet Visible Infrared X Rays Radio Waves violet blue Industrial Curing Schumann Germicidal Erythermal Black Light 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.

53 53 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

54 54 UV Härtung Beispiel für einen UV Härtungs-Prozess Resultierende Information Endhärte des Produktes Aushärtungszeit

55 55 UV Härtung UV curing cell notwendiges Zubehör UV Quelle und Lichtleiter Einweg-Geometrie Luftlagerrheometer mit UV Messzelle


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