制定涂料或油墨是一个复杂的优化的挑战。最后悬挂必须满足严格的最终使用性能目标,可再生产地交付正确的色调或色彩,例如,或在加工表面光泽的预期水平。然而,同样重要的是,是缓解标准如稳定性和应用程序。成本约束频繁添加进一步的复杂程度。gydF4y2Ba

新产品的创新,是否满足客户的需求,财务目标或环境立法,刺激的不断循环配方和re-formulation业内并创建一个有效和支持需求分析策略。在这种背景下,本文探讨了应用程序的三个材料表征技术:粒子大小,流变分析和电动电势测量,特别是关注他们的使用发展的产品稳定性。188金宝搏bet官网虽然可以采用制定的试验和错误的方法,应用这些分析技术使更有效、有针对性的产品开发。gydF4y2Ba

制定制定目标gydF4y2Ba

油墨或涂料、分散的固体的颗粒大小的主要变量之一用来达到理想的性能。粒度影响的光与成品涂料,因此影响了色调或色彩,以及电影出现的其他方面,如透明度和/或光泽水平。除了美学,粒径也可能影响更实用的耐气候性和稳定性等特性。gydF4y2Ba

在制造、颗粒大小也很重要。细粉往往更有凝聚力,很难处理,例如。可以说是更重要的是影响颗粒大小对悬架的特性,一旦承运人和悬浮固体混合。颗粒大小影响悬浮液的流变学,尤其是它的粘度,进而影响性能特征,如应用程序轻松,衰退倾向或窗帘、治疗行为和产品的稳定性。gydF4y2Ba

成功的制定依赖调和悬浮液的流变特性与预期的应用程序。考虑,例如,触变性的流变现象。特定的悬浮液,以许多油漆、剪切薄,即。,they exhibit lower viscosity when subject to higher levels of shear. When the applied level of shear is reduced, viscosity returns to a higher level but over a finite period of time (Figure 1). The longer this process takes, the more thixotropic the suspension.

厚的涂层,显著水平的触变性可能是有利的。低粘度将维持足够长的时间,发布应用程序,使刷痕流动,使涂层表面光滑。另一方面,对于一个打印机的墨水,触变性可能是灾难性的。一旦应用,墨水必须留在原地给高分辨率,使高粘度的瞬时达到更好。gydF4y2Ba

因此成功的配方要求定制的流变特征提供的产品很容易应用,给出了一个高质量的完成,是稳定的。最后一个问题的稳定是至关重要的,往往是最耗时的一个方面的发展。暂停的功能应该保持悬浮状态的分散相为产品的生命周期,在所有相关的条件下,和/或使容易re-dispersion应该沉淀发生。沉降或沉降是有问题的,因为它引入了非齐的风险产品,可怜的处理和不合标准的完成。分散的固体颗粒大小,连续相的粘度和悬浮液的流变学都可以操纵向更好的稳定性,但有一个进一步的参数,也可以是非常有用的在稳定评估和控制:电动电势。gydF4y2Ba

了解悬架稳定性gydF4y2Ba

很多因素导致分散相稳定,这些可分为动力学和热力学。动力学稳定性是通过增加悬浮介质的粘度,从而减缓粒子运动,聚集和沉降。热力学稳定性另一方面依赖于操作空间和静电效应,通过粒子斥力稳定的感应,通过大小或形状修改,或通过改变静电电荷,分别。电动电势的大小量化粒子之间的静电排斥或吸引,因此可以用于研究和控制这方面的稳定。gydF4y2Ba

在亚微米颗粒布朗运动通常是重要的保持悬浮在分散相。然而,对于大颗粒重力的影响成为重要的如果有一个相当大的分散和连续阶段之间的密度差异。引力比布朗部队与沉降的可能性,可以预测方程1,gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba∆gydF4y2BargydF4y2BaggydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba是粒子半径,博士是分散的和连续的阶段之间的密度差,gydF4y2BaggydF4y2Ba由于重力加速度,gydF4y2BakgydF4y2Ba_BgydF4y2Ba波尔兹曼常数和吗gydF4y2BaTgydF4y2Ba是温度。gydF4y2Ba

如果该比率大于团结,那么可以预期某种程度的沉降;的比率小于1表明一个稳定的系统。然而,这个方程不考虑粒子与粒子之间的相互作用可能造成的影响。小颗粒的不断碰撞提高絮凝和过渡到一个重力系统的可能性,随之而来的是沉降的可能性。这种效果是可以预测方程1,的增加gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba粒子半径,絮凝会导致。gydF4y2Ba

带电的悬挂,DVLO (Derjaguin兰道Verwey和Overbeek)理论gydF4y2Ba^{2、3gydF4y2Ba}表明,一个能量势垒产生的两个粒子之间的排斥力将阻止他们相互接近和坚持,除非粒子有足够的热能来克服它。电动电势,潜在的滑动面之间的粒子和双层有关,和周围的溶剂,表明这一障碍的大小和影响的策略应用于修改它,如pH值的改变(图2)。gydF4y2Ba

如果一个悬架有一个很大的正面或负面的电动电势,然后其中的粒子会成功相互排斥;电动电势值低,相比之下,增加絮凝的可能性。稳定和不稳定悬浮液的分界线一般作为±30 mV;系统,这些限制以外的ζ电位,表明一个稳定的系统。gydF4y2Ba^{4、5gydF4y2Ba}然而这种假设是依赖于粒子的属性。gydF4y2Ba^{1、2gydF4y2Ba}

总之,电动电势的测量带来详细了解静电分散机制,支持这方面的分散控制。流变测量另一方面促进动力学稳定性的优化。因此这两种分析技术互补,当一起使用启用彻底了解所有的悬浮稳定性的影响因素,从而更好的控制。下面的案例研究展示了如何应用于电动电势和流变分析组合诱导稳定的悬浮粒子的粒径定义。gydF4y2Ba

案例研究gydF4y2Ba

一项研究是诱导微晶二氧化硅的稳定悬浮。图3显示了pH值的影响在一个悬挂的二氧化硅粒子平均粒径3.7µm。收集的数据是使用莫尔文Zetasizer Nano年代与一个MPT2 autotitrator。起点的去离子水稀释分散的材料,采用autotitrator稳步减少到终点pH值1.0盐酸使用标准的解决方案。电动电势测量了每隔10等距的pH值在范围内。gydF4y2Ba

尽管负面电动电势超过30 mV,这种悬架已被证明是不稳定,形成一个紧凑,沉淀层站。输入相关参数的值在方程1给出了一个45的结果,证实了沉降的可能性,表明引力高度占主导地位。当引力的粒度和密度控制系统,静电相互作用不足以提供稳定性和动力学稳定是必需的。gydF4y2Ba

增加粘度gydF4y2Ba

如前所述,提高悬架的动力学稳定性的一种方法是增加连续相的粘度。gydF4y2Ba

稀释悬挂,沉降速度可以用斯托克斯定律,即沉降速度是连续相的剪切粘度成反比。gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba这意味着加倍粘度将沉积的速率减半。然而,斯托克斯定律只适用于稀悬浮液中粒子的相互作用很小。沉降浓缩悬浮液更复杂是因为邻近粒子之间的相互作用以及高粒子加载导致整体密度和粘度的增加。gydF4y2Ba

另一种方法诱导稳定的悬浊液,引力支配是通过引入一个网络结构,给出了系统屈服应力。系统与屈服应力保持静止。,do not flow until the applied shear exceeds a certain value. One way to achieve such structure is to gel the continuous phase through the introduction of suitable additives. Another, which may seem counter intuitive, is to reduce the repulsion between particles and actually promote flocculation in the system.

引入结构gydF4y2Ba

图3显示了pH值下降,电动电势降低向等电点-点电动电势为零,这发生在pH值为1.17。这意味着ph值降低系统会更容易发生絮凝。pH值对悬浮液粘度的影响如图4所示,它显示剪切粘度随着剪切速率的函数(从一个平衡一步剪切速率测试)集中二氧化硅分散不同博士所有流变数据的测量使用Kinexus Pro和双子座2旋转流变仪(莫尔文仪器)。gydF4y2Ba

数据测量的pH值3.9展览零剪切粘度高原;在低剪切速率粘度达到一个恒定值。这个形状与样品有关的粘度曲线是在非常低的剪切条件下液状物。曲线测量低pH值不表现出这种特性,表明这些悬浮液以非常低的剪切可能更多的固体状。测试在低切变率将有必要证实了这一点。gydF4y2Ba

三步剪切速率测试,粘度测量低剪切率,然后在一个较高的率在原始的条件下(数据没有显示)。所花费的时间暂停,恢复其低切粘度测量,发现非常短,这表明任何structure-conferring网络几乎是瞬间重建高剪切后停止。这些结果表明,任何结构诱导絮凝在这些样本不是永久性的,而是迅速分解和/或扰动后的改革。gydF4y2Ba

这种类型的可逆的絮凝行为可以合理化使用DLVO理论,即结合/总能量(VT)是有吸引力的总和(VA)和排斥(VR)的贡献(图5)。通过降低粒子的表面电荷,排斥贡献总互动潜力降低,创建第二个最小的总能量曲线,允许软弱和可逆的粒子之间的附着力。这些交互是强大到足以抵抗布朗运动的影响,但足够弱下分解剪切的应用。gydF4y2Ba

事实上两种形式的絮凝行为可能观察到。如果二次最小相对较深,那么强烈碰撞粒子会形成一个开放的结构,有利于网络的形成。相比之下,更弱絮凝的系统能够重新安排自己在当地规模,形成密集的絮体更容易沉积。gydF4y2Ba^{1、6gydF4y2Ba}更大的降低电动电势是有利的对更深层次的二次最小和网络结构的发展。gydF4y2Ba

调查屈服应力gydF4y2Ba

调查的一个方法和量化的影响结构在流体测量屈服应力。屈服应力是压力克服引力所需的系统和启动流程。最后一系列流变测试,每个悬浮液的屈服应力被执行剪切应力扫描测量,确定应力的峰值粘度是观察。结果如图6所示。gydF4y2Ba

这两个低ph值样本显示峰值粘度表明屈服应力。这个峰值出现的应力远高于低pH值样本,表明开发的结构强度在低pH值较高,当电动电势较低。减的样本没有峰值粘度,表明这种材料没有屈服应力,因此没有网络结构。这是一致的粘度曲线的数据表明,在这个暂停展品零剪切粘度高原pH值。gydF4y2Ba

这些结果表明,在低pH值、结构已经成功地诱导,但问题是是否达到稳定水平足够高。方程2使估计的压力强加于它的环境,由粒子在一个颗粒凝胶,gydF4y2Ba

年代gydF4y2Ba=gydF4y2Ba(gydF4y2BargydF4y2Ba_DgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BargydF4y2Ba_CgydF4y2Ba)rggydF4y2Ba

在rgydF4y2Ba_DgydF4y2Ba分散相和r的密度吗gydF4y2Ba_CgydF4y2Ba是连续相的密度。注意,方程2是派生假设引力作用在整个球形颗粒的表面。如果重力是一个正常的飞机上,然后使用球的横截面积,施加的压力变成了年代gydF4y2Ba= (gydF4y2BargydF4y2Ba_DgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BargydF4y2Ba_CgydF4y2Ba)rggydF4y2Ba。使用两个派生发表文献中可以找到。gydF4y2Ba

这里使用的硅悬挂这个计算表明,最大的粒子存在,直径10µm周围,征收大约0.01 Pa的压力。因为这个数字远低于屈服应力表现出低ph值悬浊液,这些系统在静止条件下应该是稳定的。不过,热力学稳定才会保留如果压力对结构低于屈服应力。例如高压力可能发生在运输或在使用过程中,造成不稳定。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

涂料或油墨、颗粒大小、电动电势和流变学都是重要的特征。根据测量的应用分析战略这三个因此促进知识向稳定的产品配方很容易应用,给出了理想的完成。所有三个参数交互带来性能上悬挂;理解这些交互是其紧密控制的关键。During formulation, achieving product stability is one of the most demanding and time-consuming tasks. The case study described here shows how this task can be made easier, with a dispersed phase of defined particle size, through the application of zeta potential measurements and rotational rheometry. Recognizing the different mechanisms that control stability – whether kinetic or thermodynamic – and adopting an approach that systematically and relevantly addresses them, leads to the successful induction of sufficient stability to fulfil in-use requirements.

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引用gydF4y2Ba

1拉尔森,R.G.的结构和流变学复杂的液体,牛津大学出版社,纽约(1999)。gydF4y2Ba

2 Derjaguin, b;兰道l .强烈指控疏水性溶胶的稳定性理论和强烈粘附的带电粒子在电解质的解决方案,《物理Chemica一致的14日,633年。(1941)。gydF4y2Ba

3,Verwey, E.J.W.;Overbeek, j . Th。g .疏液胶体的稳定性理论,爱思唯尔,阿姆斯特丹,(1948)。gydF4y2Ba

4电动电势在30分钟内,技术可以从www.malvern.com。gydF4y2Ba

5电动电势的胶体水和废水标准ASTM D 4187 - 82,美国社会检测和材料,1985年。188金宝搏bet官网gydF4y2Ba

6巴恩斯,H.A.基本流变学的手册,威尔士大学非牛顿流体力学研究所(2000)。gydF4y2Ba