Paints and Coatings Viktor Kürsteiner Tracomme AG

Wovon ist die Viskosität h abhängig? Die Viskosität ist keine Konstante, sondern abhängig von anderen Größen: Chem./physikal. Beschaffenheit h = f ( S ) Temperatur h = f ( T ) Druck h = f ( p ) Schergeschwindigkeit h = f ( ) Zeit h = f ( t ) Scherzeit, Ruhezeit Andere z. B. elektrische, magnetische Feldstärke . g Eine Viskosität sollte immer zusammen mit den relevanten Einflussgrößen und der Vorgeschichte der Probe angegeben werden. z.B.: h = 1,4 Pa∙s (20°C, 100 s-1, nach 1 min Vorscherung mit 200 s-1)

Wie ist die Viskosität definiert? Drehmoment Md ∙ Schubfaktor A Schubspannung Viskosität = Schergeschwindigkeit Drehzahl W ∙ Scherfaktor M 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)

Bestimmung der Viskosität Die Viskosität kann nur indirekt bestimmt werden: Viskosität (dynamisch) h [Pa∙s] Schubspannung t [Pa] Deformation g [-] Schergeschwindigkeit g [1/s] . . A F, v h Die Berechnung der Viskosität ist nur für laminare Strömungen möglich!

Viskosität ausgewählter Fluide bei 20°C Luft 0,02 mPas 0,00002 Pas Petrol 0,65 mPas 0,00065 Pas Wasser 1 mPas 0,001 Pas Quecksilber 1,5 mPas 1,5 Pas Traubensaft 2 – 5 mPas 0,002 Pas Blut (bei 37°) 4 – 15 mPas 0,004 Pas Kafferahm 10 mPas 0,01 Pas Olivenöl 100 mPas 0,1 Pas Honig 10‘000 mPas 10 Pas Teer 1‘000‘000 mPas 1‘000 Pas Bitumen 100‘000‘000 mPas 0,1 MPas Graphit 1E26 mPas 1E11 GPas

 = Kinematische Viskosität [mm2/s]  =  /  Viskositäten und deren Einheiten (Rotations-, Kugelfall-, Kapillar-Viskosimeter) .  = Dynamische (Scher-)Viskosität [Pa∙s]  =  /  1 Pa∙s = 1000 mPa∙s 1 mPa∙s = 1cP (centi Poise) = Schubspannung (Scherspannung) [Pa]  = Schergeschwindigkeit [1/s]  = Kinematische Viskosität [mm2/s]  =  /  1 mm2/s = 1 cSt (centi Stokes)  = Dichte [kg/m3] rel = Relative Viskosität [-] rel = 1/2 z.B.: HAAKE-Einheiten .

Strassenteer-Viskosimeter Auslaufbecher Auslaufbecher DIN Ford Strassenteer-Viskosimeter Eintauchbecher

Auslaufbecher The Ford-Cup Methode Nachteile Vorteile Messung der Zeit Dt (für ein definiertes Volumen) Sekunden als Index für die Viskosität 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 Vorteile günstig einfaches handling schnell Einfache Reinigung

Rotationsviskosimeter (relativ) Vorteile: einfach, leichte Handhabung schnelle Messung geringer Reinigungsaufwand u.U. einzige Möglichkeit zu messen preisgünstig Methode: Rotationsviskosimeter mit Sensorgeometrie, die kein berechenbares Strömungsfeld hat, meist untemperierte Messzelle Nachteile: relativ - für Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten nur vergleichbar mit gleichem Sensor und gleichen Messbedingungen häufig Temperierfehler grosser Messfehler

ICI Platte-Kegel Viskosimeter

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

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

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

Nicht-Newtonsches Fließverhalten Pseudoplastastizität/ Strukturviskoses Verhalten Nahezu alle polymerhaltigen Fluide (z.B. Duschgel, ...)  = f ()  = f () (M und W gemessen) (berechnet) . . log Schubspannung  [Pa] log Viskosität h [Pa∙s] Steigung > -0.82 Steigung = 1 . . log Schergeschwindigkeit  [1/s] log Schergeschwindigkeit  [1/s]

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

Strukturviskoses Fließverhalten

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

Experimentelle Bestimmung des Fliessverhaltens 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 Was will ich messen? v g = m/s m . y Experiment soll Realität simulieren

Fliessgrenze Ablaufverhalten h t0 after t1 > 0 t0 s Direkt nach Auftrag auf die Wand Farbe ohne Fliessgrenze nach t1 > 0 Farbe mit Fliessgrenze t0 after t1 > 0 t0 h s

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

Fließgrenze bestimmen mit einer CR-Rampe Extrapolation der Fließkurve mit rheologischem Modell-Kurvenfit Vorgabe: CR-Rampe: Schergeschwindigkeit  zunehmend mit der Zeit Messung: Schubspannung  Ergebnis und Auswertung:  = f(), Extrapolation auf   0 . 10 20 30 40 50 60 80 100 120 t [Pa] Extrapolation Casson: 0 = 9 Pa . g [1/s] . .

Applikation Beispiel 1 Siebdruck Screen Printing

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

Siebdruck g1 > g2 > g3 Schematische Beschreibung . g1 CR . g2 . Bestimmung des nicht-Newtonschen Verhaltens in einem weiten Scherbereich Fliessgrenzenbestimmung Thixotropie Tests Rakel Druckfarbe Sieb g1 . R CR g2 . g3 . CS Substrate g1 > g2 > g3 . . .

Thixotropie? Interessiert mich das?

Thixotropie: Fläche innerhalb Thixotropie-Schleife Vollständig reversibler Strukturabbau unter Scherung Beispiele: Mayonnaise, Ketchup 500 1000 450 400 100 350 Fließkurve 300 t [Pa] 250 10 h [Pa∙s] 200 150 1 100 Viskositätskurve 50 0.1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 g [1/s] .

Farben / Putze

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

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 !

Fließverhalten: Thixotropie und Rheopexie Bestimmung der Thixotropie: Fließkurve . Vorgabe: Schergeschwindigkeits-Rampe  (steigend und fallend) Messung: Schubspannung  = f() Ergebnis: Berechnung der Viskosität =f (, t) Ermittlung der Thixotropiefläche A . . A Kurze Messzeit Lange Messzeit Messung im Gleichgewicht Das Ergebnis des Thixotropie- Loops hängt von den gewählten Parametern ab!

Thixotropie Test Methode 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)

Fließverhalten: Thixotropie und Rheopexie Experimentelle Bestimmung scherzeitabhängiger Phänomene: Thixotropie (Rheopexie) Ziel: Bestimmung der Viskositätserniedrigung bei Scherung und Strukturaufbau in der Ruhephase (ohne Scherung) zur Voraussage von Verlaufseigenschaften, Verstreichbarkeit, Lagerstabilität, etc. Zeitkurven (Zeit für Strukturerholung) Fließkurven (Fläche in Thixotropie-Schleife) . g t

Applikation Beispiel 2 Sprayen

Spray Coating Graffiti Beste Ergebnisse bei unebenen und komplexen Oberflächen Graffiti

Spray Coating Schematic Description Atomization Coating Substrate Atomisation ist der Prozess des Bulkaufbrechens in kleine Tröpfchen Die Tröpfchengrösse ist unter anderem abhängig vom Fliessverhalten Viskosität Oberflächenspannung Dichte Coating Substrate Nozzle Transition Compressed Air

Three gap sizes available Spray Coating High Shear Geometrie Kardangelenk Three gap sizes available HS 28 hardened cup Suitable for TEF/Z28 25 µm 100 µm 400 µm Selbstzentrierung bei hohen Geschwindigkeiten Ungeeignet für tiefe Geschwindigkeiten

Spray Coating High Shear Messung einer keramischen Farbe Maximum torque at 44.8 mNm Maximum shear rate at 50000 s-1

Applikation Beispiel 3 Pulverbeschichtung

Mechanische oder chemische Vorbehandlung Pulverbeschichtung Step 3: thermisches Härten der Beschichtung Step 1: Vorbehandlung des Untergrundes Step 2: Applikation des Pulvers elektrostatische Sprühpistole positiv geladene Partikel Thermische (160 - 200°C) oder UV-Härtung Mechanische oder chemische Vorbehandlung Substrat Erdung

Pulverbeschichtung G' [Pa] G" [Pa] t [s] 500 1000 1500 100 101 102 103 500 1000 1500 100 101 102 103 104 105 106 107 Pulver schmilzt Voll durchgehärtete Beschichtung Elastischer Anteil G' Temperatur steigt  Viskosität fällt Viskoser Anteil G' ' Cross-over Härtung in 2 Schritten Start der Reaktion

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

Application Beispiel 4 Offset Druck

Offset Druck Schematische Beschreibung . g ≈ 1.0 · 106 s-1 Druckfarben Eigenschaften: Hochviskose Materialien (40 – 100 Pa s) Ink Roll Coating Roll g ≈ 1.0 · 106 s-1 . v = 500 - 1000 1/min Druck Prozess: hohe Scherraten Normalerweise Raumtemperatur Normalerweise modifiziert der Druckfarbenproduzent die Farben auf die Anforderungen der Druckmaschine Substrat Offset Roll y ≈ 10 µm Impression Roll

Offset Druck Der unerwünschte Effekt der Nebelbildung (Misting) abhängig von: Rotationsgeschwindigkeit der Druckrollen Zusammensetzung der Druckfarbe

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

Offset Druck Die Lösung… CaBER 1

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

Applikation Beispiel 5 Curtain Coating

Pseudoplastisches Verhalten erwünscht für gleichmässige Oberflächen Curtain Coating Schematische Beschreibung Coating Kontaktlose Applikation Geeignet für geringe Schichtdicken Gleichmässige Oberfläche Minimale Fliessgeschwindigkeit für einen garantiert ununterbrochenen Vorhang Düse v ≈ 1 - 35 m/s Bereich höherer Scherraten Pseudoplastisches Verhalten erwünscht für gleichmässige Oberflächen Substrate

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

Applikation Beispiel 6 UV Härtung

UV Härtung UV-Radiation Bei der UV-Härtung wird eine chemische Reaktion durch Applikation einer UV-Strahlung ausgelöst und führt eine flüssige Formulierung in einen harten, gehärteten Film. Cosmic Rays Gamma Rays Infrared Ultra Violet Visible Radio Waves X Rays X-Rays Industrial Curing Schumann Erythermal violet blue Germicidal Black Light 100 200 300 400

UV Härtung Schematische Beschreibung Substrate UV-Quelle Chemische Reaktion ausgelöst durch UV-Strahlung Substrate UV-Quelle Übergang von flüssigem in festen Zustand Oszillationsmessung notwendig Rheometer mit Luftlager notwendig Coating Material

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

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