Reibung zwischen Viskosität und Thixotropie

Jeder, der schon einmal versucht hat, ein Auto zu spachteln oder zu lackieren, hat wahrscheinlich bemerkt, dass einer der grundlegenden Parameter in den technischen Informationen der Produkte angegeben ist - die Viskosität. Wenn Sie mit einem Verkäufer sprechen, werden Sie wahrscheinlich den Satz hören: Dieses Produkt hat sehr gute thixotrope Eigenschaften. Hat die Tatsache, dass das Produkt thixotrop ist, Auswirkungen auf seine Viskosität?

Eine wichtige Eigenschaft von Farben

Beginnen wir mit der Antwort auf die Frage, was Viskosität ist. Einfach ausgedrückt ist die Viskosität die innere Reibung, die sich aus der relativen Bewegung der Moleküle ergibt. Das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte einer Flüssigkeit bestimmt ihre kinematische Viskosität. Es ist die kinematische Viskosität, die die Eigenschaften eines Farbprodukts bestimmt. Wir können zum Beispiel versuchen, eine Epoxid-Grundierung und einen Basislack zum Vergleich zu mischen. Welche Substanz wird widerstandsfähiger sein? Eindeutig die Grundierung, denn sie ist dickflüssig, was bedeutet, dass die Moleküle dichter gepackt sind, was zu einem höheren Produktgewicht führt. Die Viskosität ändert sich je nach Temperatur – sie ist im Sommer niedriger (das Produkt ist dünner) und im Winter höher. Deshalb ist es so wichtig, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, vor allem, wenn es draußen unter Null Grad ist.

Warum ist es wichtig, die Viskosität von Farbe zu messen?

Der Parameter Viskosität ist für den korrekten Lackiervorgang äußerst wichtig. Die bei der Reparatur unserer Autos verwendeten Produkte (u. a. Grundierungen, Spachtelmassen, Autolacke) sind Vertreter rheologischer Flüssigkeiten, d. h. Flüssigkeiten, die sich mit der Zeit und unter ihrem Einfluss verändern. Je länger die Scherbeanspruchung (in diesem Fall unser Rühren) wirkt, desto größer sind die Veränderungen in der Struktur. Die Viskosität der Farbe nimmt unter Rühren ab, was den Eindruck eines dünnflüssigen Materials erweckt, und nimmt im Stillstand zu, was die Farbe dicker erscheinen lässt. Die Viskosität der Farbe wird mit einem Gerät namens Ford-Fließbecher gemessen. 100 cm3 Farbe werden in einen speziellen DIN-4-Becher gegossen. Die Zeit, die das Material benötigt, um durch eine vier Millimeter große Öffnung zu fließen, wird dann beobachtet. Die kinematische Viskosität wird in Grad (st) und Zentistokes (cst) gemessen.

Charakterisierung der Thixotropie

Die Eigenschaften der Thixotropie werden durch die qualitative und quantitative Zusammensetzung der dispergierten Phase eines chemischen Stoffes bestimmt. Die zur Bestimmung der Thixotropie verwendeten Werte sind die höchste dynamische Viskosität, die niedrigste dynamische Viskosität und die Endschubspannung. Dies sind wichtige Werte, die bei Arbeiten an vertikalen oder horizontalen Oberflächen zu berücksichtigen sind. Thixotropie bedeutet wörtlich die Veränderung bei Berührung (thixis – Berührung und trop – Veränderung). In der Praxis ist Thixotropie die Eigenschaft von dispergierten Stoffen, d. h. von Stoffen, die aus vielen Komponenten bestehen, in der Regel ein Gemisch aus einer flüssigen und einer dispergierten dichten Phase, die Fließgrenze in Ruhe, d. h. ohne mechanische Einwirkung auf den Stoff, wiederherzustellen.

Thixotropie und Rheopexie

Der Begriff der Thixotropie darf nicht mit dem Phänomen der Pseudoplastizität verwechselt werden. Stoffe, die durch die letztgenannte Eigenschaft gekennzeichnet sind, zeichnen sich durch eine Abnahme der Viskosität aus, wenn sie einer Scherbeanspruchung ausgesetzt werden. Bei thixotropen Stoffen ist das Gegenteil der Fall - ihre Viskosität nimmt ab, wenn sie einer konstanten Scherbeanspruchung ausgesetzt werden. Wenn thixotrope Stoffe einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit ausgesetzt sind, nimmt die Scherspannung mit der Zeit ab. Die Viskosität und die Schergeschwindigkeit einiger Stoffe unter konstanten Umgebungsbedingungen ändern sich mit der Zeit. Eine Substanz ist thixotrop, wenn ihre Viskosität im Laufe der Zeit abnimmt. Nimmt die Viskosität hingegen zu, handelt es sich um Rheopexie, die auch als Antithixotropie bezeichnet wird. Jede dieser Arten von Substanzen kann einen konstanten Wert in einer unterschiedlichen Zeitspanne erreichen, die von einigen Sekunden bis hin zu einigen Tagen reichen kann.

Thixotropie und das Phänomen der Pseudo-Plastizität

Thixotropie ist eine Eigenschaft von kolloidalen und polymeren Systemen, die bei konstanter Temperatur mechanisch beeinflusst werden. Die Thixotropie kennzeichnet die Eigenschaft einer Substanz, die es ihr ermöglicht, die Grenze ihrer Plastizität zu überwinden, nachdem die mechanische Einwirkung, im Falle von Farbmaterialien das Mischen, aufgehört hat. Sie bestimmt die Möglichkeit, Veränderungen in der Struktur einer bestimmten Farbsubstanz durch Koagulation kolloidaler Partikel in einem Dispersionssystem rückgängig zu machen. Der Begriff der Thixotropie wird oft fälschlicherweise als Ersatz für die Pseudo-Plastizität eines Stoffes verwendet. Dies ist falsch, da die beiden Eigenschaften völlig gegensätzlich sind. Eine pseudoplastische Substanz unterscheidet sich von einer thixotropen Substanz dadurch, dass sie ihre Viskosität unter dem Einfluss einer vorübergehenden Scherbeanspruchung verringert, während eine thixotrope Substanz ihre Viskosität im Laufe der Zeit unter konstanter mechanischer Einwirkung verringert.

Thixotropie und Änderungen der Materialeigenschaften

Wenn man beginnt, eine rheologische Flüssigkeit zu mischen, stößt man zunächst auf einen hohen Widerstand (hohe Viskosität), doch nach einer Weile nimmt der Widerstand ab (man erhält die richtige Viskosität). Dank dieses Phänomens können wir große Flächen streichen oder füllen, ohne dass wir uns Sorgen um Tropfen machen müssen. Man könnte sich nun fragen, ob sich die Bindungen durch das Mischen auflösen und das Produkt bereits nach dem ersten Mischen zerstört ist. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein, es stellt sich heraus, dass eine bestimmte Flüssigkeit ein Gedächtnis hat, dank dem sie nach dem Beenden des Mischens (nach einiger Zeit) in ihren Ausgangszustand zurückkehrt, und dieses Gedächtnis ist die Eigenschaft, die Thixotropie genannt wird. Sie hängt von der Zeit und der Geschwindigkeit der Scherung sowie von den mechanischen Phänomenen im Material ab. Das rheologische Profil eines thixotropen Produkts kann durch die Zugabe verschiedener Celluloseether, Polyacrylsäuren usw.

erhalten werden.

Wie werden thixotrope Eigenschaften im Labor getestet?

Wenn eine thixotrope Flüssigkeit geschert wird, z. B. in einem Rotationsviskosimeter, wird die Struktur der Flüssigkeit zerstört. Die Zerstörung der Struktur endet, wenn die Reststruktur der Flüssigkeit bei einer bestimmten Schergeschwindigkeit erzeugt wird. Durch Vergleich der Fließkurve bei zunehmender Schergeschwindigkeit mit der Kurve bei abnehmender Schergeschwindigkeit lässt sich das Ausmaß der Zerstörung der thixotropen Struktur ermitteln. Wird die Substanz vor Beginn der Kurvenbestimmung (bei noch geringer Schergeschwindigkeit) für eine bestimmte Zeit mit einer bestimmten maximalen Geschwindigkeit (γ) geschert, so nimmt die dieser Geschwindigkeit entsprechende Schubspannung (τ) proportional zum Abbau der thixotropen Struktur ab.

Wie kann dies in der Praxis angewendet werden?

Aus der Sicht unserer Industrie möchte der Maler ein Produkt erhalten, das leicht zu verarbeiten ist, das sich leicht mit Spritzpistolen auftragen lässt - daher ist die Spritzviskosität sehr wichtig. Andererseits wollen wir, dass die Farbe nach dem Sprühen nicht von der Oberfläche abläuft (keine Schlieren) und dass eine dicke Schicht in einem Zug aufgetragen werden kann - um die Deckkraft zu erhöhen. Mit Hilfe des Phänomens, das wir kennengelernt haben, können wir Farben mit diesen Eigenschaften herstellen. Die Arbeit sollte bereits in der Phase des Produktdesigns beginnen. Das ist eine sehr schwierige Aufgabe, denn wir wollen, dass das Endprodukt viele Vorteile vereint, die sich aufgrund der Eigenschaften der einzelnen Komponenten oft nur schwer miteinander vereinbaren lassen. Wie Sie sehen, ist die Kenntnis der Rheologie des Systems bei der Herstellung von Lackmaterialien äußerst wichtig, da nur so eine fundierte Prozess- und Produktionsplanung möglich ist. Die Kombination aus optimaler Spritzviskosität und hohem Deckvermögen ist eine echte Herausforderung für den Hersteller.

Thixotropie im Zusammenhang mit dem Produktionsprozess von Anstrichstoffen

Die so genannten funktionellen Additive, die in Autolacken verwendet werden, um dem Lack die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, spielen eine immer wichtigere Rolle im Produktionsprozess von Materialien. Durch den Einsatz dieser Zusatzstoffe lassen sich die Herstellungstechnologie von Lackmaterialien und ihre Eigenschaften während der Verwendung besser steuern. Die wichtigsten Zusatzstoffe, die in Farben verwendet werden, sind Verdickungsmittel, d. h. Rheologiemodifikatoren, Dispergiermittel und verschiedene Arten von Photostabilisatoren. Durch die Kenntnis der Rheologie des Lacksystems ist es möglich, die Fließfähigkeit zu verbessern, eine gleichmäßige Bedeckung des Untergrunds zu gewährleisten und einen Viskositätsabfall zu verhindern, der beispielsweise beim Einfärben auftreten kann.

Die Besonderheiten der Arbeit mit der Spritzpistole und die Viskosität des Lacks

Bei der Lackierung wird die Farbe mit Hilfe einer Spritzpistole mittels Druckluft verteilt. Die Luft strömt im Inneren des Geräts mit einem hohen Druck, der auf die Leistung eines bestimmten Farbmaterials abgestimmt ist. Während des Lackiervorgangs wird die Farbe in mikroskopisch kleine Partikel zerlegt, die am Düsenaustritt ein Aerosol bilden. Die Partikel setzen sich auf dem zu lackierenden Objekt ab und bilden eine lackierte Oberfläche. Der Sprühstrahl sollte eine gleichmäßige Spur auf der Oberfläche hinterlassen, die einem länglichen Oval oder Rechteck mit stark abgerundeten Kanten ähnelt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Farbe gleichmäßig auf die Oberfläche aufgetragen wird.

Farbviskosität – einstellbar

Durch die Thixotropie der Farbe lässt sie sich leicht mit einem Sprühmechanismus auftragen und kehrt gleichzeitig schnell wieder auf das entsprechende Viskositätsniveau zurück, was eine gleichmäßige Abdeckung einer horizontalen Fläche garantiert. Ist die Viskosität der Farbe zu hoch, so ist eine Verringerung der Farbmenge in der Mitte des Sprühbildes zu beobachten. Dieses Problem lässt sich lösen, indem man der Farbe beispielsweise etwas Verdünner hinzufügt. Dies kann nur von erfahrenen Malern und nur beim Sprühen der Oberfläche durchgeführt werden. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Verdünnung der Farbe mit einem Lösungsmittel die Thixotropie der Beschichtung erheblich verringert. Eine Verdünnung ist bis zu maximal 20% möglich.

Thixotropie ist eine Eigenschaft verschiedener Stoffe. Dabei ist zu beachten, dass die Thixotropie durch die Fähigkeit eines plastischen Stoffes gekennzeichnet ist, einen flüssigen Zustand anzunehmen, aber nicht die Eigenschaft von flüssigen Stoffen bestimmt, eine dicke Konsistenz anzunehmen. Aus diesem Grund wird die Viskosität von Farben mit dem Konzept der Thixotropie in Verbindung gebracht.