Tarcie między lepkością a tiksotropią

Każdy, kto próbował szpachlować lub lakierować samochód na pewno zauważył, że w informacjach technicznych produktów podawany jest jeden z podstawowych parametrów, czyli lepkość. W kontakcie z handlowcem zapewne nie raz można usłyszeć zdania: "Ten produkt ma bardzo dobre właściwości tiksotropowe”. Czy to, że produkt jest tiksotropowy, wpływa na jego lepkość? W niniejszym artykule spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie oraz określić, jak tiksotropia wpływa na lepkość lakieru.

Ważna właściwość materiału lakierniczego

Zacznijmy więc od odpowiedzi, czym w takim razie jest lepkość. Najprościej mówiąc, lepkość to tarcie wewnętrzne, wynikające z przesuwania się względem siebie cząsteczek. Stosunek lepkości dynamicznej do gęstości płynu określa jego lepkość kinematyczną. To właśnie lepkość kinematyczna decyduje o właściwościach produktu lakierniczego. Dla przykładu możemy spróbować pomieszać na początku podkład epoksydowy, a następnie dla porównania lakier bazowy. Która substancja będzie stawiała większy opór? Na pewno podkład będzie stawiał większy opór przez to, że jest gęsty, czyli następuje większe upakowanie cząsteczek, co sprzyja większej masie danego produktu. Lepkość będzie się zmieniała zależnie od temperatury – latem będzie niższa (produkt jest rzadszy), a zimą wyższa. Dlatego tak ważne jest utrzymywanie stałej temperatury, zwłaszcza w okresie, kiedy na dworze dominują temperatury minusowe.

Dlaczego lepkość lakieru warto mierzyć?

Parametr lepkości jest niezwykle ważny dla przeprowadzenia prawidłowego procesu malowania. Produkty wykorzystywane w trakcie napraw naszych samochodów (między innymi podkłady lakiernicze, szpachle samochodowe, lakiery samochodowe) są przedstawicielami cieczy reologicznych, czyli zmieniających się w czasie i pod jego wpływem. Im dłuższy czas działa naprężenie ścinające (w tym przypadku nasze mieszanie), tym większe następują zmiany struktury. Lepkość lakieru zmniejsza się pod wpływem mieszania, mamy wtedy wrażenie rozcieńczania się materiału oraz zwiększa się w stanie nieruchomym, wtedy lakier wydaje się bardziej gęsty. Lepkość lakieru mierzy się z pomocą urządzenia zwanego kubkiem wypływowym Forda. Do specjalnego kubka o parametrach DIN 4 wlewa się 100 cm3 lakieru. Następnie obserwacji poddaje się czas przepływu materiału przez czteromilimetrowy otwór. Lepkość kinematyczna mierzona jest w stokach (st) i centystokach (cst).

Charakterystyka zjawiska tiksotropii

Właściwości zjawiska tiksotropii są określane poprzez skład jakościowy i ilościowy fazy rozproszonej danej substancji chemicznej. Wartości, z których pomocą określa się tiksotropię to najwyższa lepkość dynamiczna, najniższa lepkość dynamiczna oraz końcowe naprężenie ścinające. Są to ważne wartości, które warto wziąć pod uwagę w przypadku pracy na powierzchniach pionowych czy poziomych, znajdujących się nad głową wykonawcy. Tiksotropia w dosłownym przetłumaczeniu z języka greckiego oznacza zmianę podczas dotyku (thixis – dotyk i trop – zmiana). W praktyce tiksotropia to właściwość substancji zdyspergowanych, czyli złożonych z wielu składników, zazwyczaj stanowiących mieszankę płynu oraz rozdrobnionej fazy gęstej, do przywracania granicy plastyczności w stanie spoczynku, czyli w warunkach braku mechanicznego wpływu na substancję.

Tiksotropia a reopeksja – istota różnicy

Ważne jest, aby nie mylić pojęcia tiksotropii ze zjawiskiem pseudoplastyczności. Substancje charakteryzujące się tą drugą właściwością odznaczają się zmniejszeniem lepkości podczas oddziaływania na nich naprężenia ścinającego. Natomiast w przypadku substancji tiksotropowych jest odwrotnie – ich lepkość zmniejsza się podczas oddziaływania stałego naprężenia ścinającego. Podczas stałego oddziaływania na substancje tiksotropowe ze stałą prędkością odkształcenia, naprężenie ścinające z czasem ulega zmniejszeniu. Lepkość oraz szybkość ścinania się niektórych substancji w stałych warunkach otoczenia zmienia się z upływem czasu. Mamy do czynienia z substancją tiksotropową, jeśli jej lepkość z czasem maleje, jeśli natomiast lepkość wzrasta – przed nami zjawisko reopeksji, inaczej antytikstropii. Osiągnięcie stałej wartości w przypadku każdego z tych typów substancji może następować w różnym przedziale czasowym, od kilku sekund do nawet kilku dni.

Tiksotropia a zjawisko pseudo plastyczności – zrozumienie różnic

Zjawisko tiksotropii jest charakterystyczne dla układów koloidalnych i polimerowych, które znajdują się pod wpływem oddziaływania mechanicznego w warunkach stałej temperatury. Tiksotropia charakteryzuje właściwość substancji, pozwalającej jej na przewracanie granicy swojej plastyczności po ustaniu oddziaływania mechanicznego, w przypadku materiałów lakierniczych – mieszania. Określa to możliwość odwrócenia zmian zachodzących w strukturze danej substancji lakierniczej poprzez koagulację cząstek koloidalnych w układzie dyspersyjnym. Często pojęcie tiksotropii jest mylnie używane zastępczo do określenia pseudo plastyczności substancji. Nie należy tego robić ze względu na całkowite przeciwstawienie tych dwóch właściwości. Substancja pseudoplastyczna różni się od tiksotropowej, ponieważ zmniejsza swoją lepkość pod wpływem chwilowego naprężenia ścinającego, natomiast substancja tiksotropowa z czasem zmniejsza swoją lepkość pod stałym wpływem mechanicznym.

Tiksotropia a zmiany właściwości materiału

Gdy zaczynamy mieszać ciecz reologiczną, na początku zmagamy się z dużym oporem (wysoką lepkością), po pewnym czasie opór maleje (uzyskujemy odpowiednią lepkość). Dzięki temu zjawisku możemy lakierować bądź szpachlować duże powierzchnie nie obawiając się o zacieki. Można by się teraz zastanowić, skoro poprzez mieszanie rozpadają się wiązania, produkt po pierwszym mieszaniu jest już zniszczony. Nic bardziej mylnego, okazuje się, że dana ciecz posiada pamięć, dzięki której po zaprzestaniu mieszania powraca (po pewnym czasie) do stanu początkowego i to właśnie ta pamięć jest właściwością nazwaną tiksotropią. Zależna jest od czasu i szybkości ścinania, a także od zjawisk mechanicznych zachodzących w materiale. Profil reologiczny – tiksotropowy produktu można otrzymać w wyniku dodania różnorodnych eterów celulozy, polikwasów akrylowych itp.

A jak wygląda badanie właściwości tiksotropowych w laboratorium?

Podczas ścinania cieczy tiksotropowej, np. w wiskozymetrze rotacyjnym, następuje niszczenie struktury cieczy. Końcem niszczenia struktury jest moment wytworzenia przy danej prędkości ścinania szczątkowej struktury cieczy. Porównanie krzywej płynięcia, wykreślonej przy wzrastającej szybkości ścinania z krzywą przy malejącej szybkości ścinania, umożliwia określenie zakresu niszczenia struktury tiksotropowej. Jeżeli przed rozpoczęciem wyznaczania krzywej (kiedy wartość szybkości ścinania jest jeszcze mała) substancję podda się przez pewien czas ścinaniu przy określonej maksymalnej szybkości (γ), to naprężenie styczne (τ), odpowiadające tej szybkości zmniejszy się proporcjonalnie do rozpadu struktury tiksotropowej.

Jak wykorzystać to w praktyce?

Z punktów widzenia naszej branży, lakiernikowi zależy na otrzymaniu produktu, który jest łatwy w aplikacji, łatwo się go nanosi przy pomocy pistoletów natryskowych – dlatego bardzo ważna jest lepkość natryskowa. Z drugiej strony chcemy, aby po natrysku lakier nie spływał z powierzchni (nie tworzył zacieków) oraz abyśmy mogli nałożyć grubą warstwę w jednym przejściu – zwiększyć siłę krycia. Korzystając z poznanego zjawiska, możemy wytworzyć lakiery o takich właściwościach. Prace należy rozpocząć już na etapie projektowania produktu, jest to zadanie bardzo trudne, ponieważ zależy nam na tym, aby produkt końcowy łączył w sobie wiele zalet, które często są trudne do pogodzenia ze względu na właściwości pojedynczych składników. W trakcie procesu produkcji materiałów lakierniczych, jak widać, niezwykle ważne są znajomości reologii układu, tylko to pozwoli na pełny świadomy proces oraz planowanie produkcji. Połączenie optymalnej lepkości natryskowej i wysokiej siły krycia jest prawdziwym wyzwaniem z punktu widzenia producenta.

Kontakt

Tiksotropia na tle procesu produkcji materiałów lakierniczych

Jeśli chodzi o tak zwane dodatki funkcjonalne w lakiernictwie samochodowym, których używa się w celu nadania pożądanych właściwości powłokom lakierniczym, to obecnie ich udział odgrywa coraz większą rolę w procesie produkcji materiałów. Manewrowanie w zakresie takich dodatków pozwala na zwiększenie kontroli technologii produkcji materiałów lakierniczych oraz ich właściwości podczas użytkowania. Najważniejszymi dodatkami stosowanymi w lakiernictwie są substancje zagęszczające, czyli modyfikatory reologii, o których wspominaliśmy wyżej, dyspergatory oraz różnego rodzaju fotostabilizatory. Z pomocą wykorzystania znajomości reologii układu materiałów lakierniczych można poprawić ich płynność, zapewnić równe pokrycie podłoża oraz zapobiec zmniejszaniu lepkości, które może zachodzić na przykład w trakcie barwienia.

Specyfika pracy z pistoletem natryskowym a lepkość lakieru

W trakcie procesu lakierowania z pomocą pistoletu natryskowego następuje rozprowadzenie lakieru poprzez oddziaływanie sprężonego powietrza. Powietrze przepływa wewnątrz urządzenia pod wysokim ciśnieniem, dopasowanym mocą do konkretnego materiału lakierniczego. W trakcie malowania masa lakieru jest dzielona na mikroskopijne cząstki, dzięki czemu na wylocie z dyszy powstaje aerozol. Cząstki osadzają się na malowanym przedmiocie, tworząc lakierowaną powierzchnię. Strumień powinien pozostawiać na powierzchni równomierny ślad, przypominający kształtem wydłużony owal lub prostokąt z mocno zaokrąglonymi krawędziami. Wtedy mamy pewność, że materiał lakierniczy jest równomiernie położony na malowaną powierzchnię.

Lepkość lakieru — możliwość regulowania

Tiksotropia materiału lakierniczego przejawia się w łatwym procesie podania go poprzez mechanizm natryskowy, a jednocześnie szybkim powrocie do odpowiedniego poziomu lepkości, który gwarantuje równomierne pokrycie nawet poziomej powierzchni. Jeśli lepkość lakieru będzie zbyt duża, zaobserwujemy zmniejszenie ilości materiału lakierniczego w centrum padania strumienia. Ten problem można rozwiązać między innymi poprzez dodanie do lakieru odrobiny rozcieńczalnika. Ten zabieg jest możliwy do przeprowadzenia wyłącznie przez osoby o dużym doświadczeniu oraz tylko w przypadku malowania powierzchni z użyciem pistoletu natryskowego. Należy jednak pamiętać, że w wyniku rozcieńczenia materiału lakierniczego z pomocą rozpuszczalnika znacznie zmniejsza się tiksotropia pokrycia. Rozcieńczanie możliwe jest maksymalnie w proporcji do 20%.

Tiksotropia jest właściwością różnego rodzaju substancji. Należy pamiętać, że tiksotropia charakteryzuje się zdolnością plastycznej substancji do przyjmowania stanu ciekłego, ale nie określa właściwości płynnych substancji do przyjmowania gęstych konsystencji. Dlatego właśnie lepkość lakieru jest związana z pojęciem tiksotropii.