流变学是研究材料在外力作用下如何流动和变形的学科。因此，流变学测量定义了材料的一些基本性质，并可有效地用于表征和预测产品行为。对于涂料，必须很好地理解和控制产品在非常不同的条件下的行为，以便产品获得成功。例如，涂层在储存期间必须是稳定的，易于使用任何适当的应用工艺，理想情况下，最终的表面光洁度应该是光滑的和无滴漏的。涂料性能的这三个方面都与产品流变性有关。因此，流变学评价已成为涂料开发和监测的关键步骤。

这篇文章的目的是提供一个简单的介绍流变学，强调其在涂料行业的适用性。定义了基本流变学术语，讨论了它们的测量方法，参考旋转流变仪的能力，并概述了它们的相关性。一系列工业实例突出了流变学研究的实际效益。

流变条件

流变学测量可以提供有关材料基本结构特性的信息，并可用于模拟材料在给定的加工或应用条件下的行为方式。下列术语是常用的。

剪应力和剪切应变。剪应力是施加在材料上的力的量度。剪应力的应用引起变形，而这种变化的程度是由剪切应变来定义的。图1显示了这两个术语的数学描述。

剪切率。剪切速率定义为应变随时间的变化率(见图1)。产品在加工和应用过程中所受的剪切速率都可能发生显著变化。

粘度。粘度是衡量物质流动阻力的指标，可能是最常用和最容易理解的流变学术语。它的定义是剪应力除以剪切速率。像水这样几乎不阻力流动且在受力时容易移动的流体，粘度较低;“较厚”的液体，如高固体涂料，往往粘度较高。粘度是剪切速率、压力、时间和温度的函数。

此外，描述与涂料表征相关的流变行为的更复杂方面的术语已被定义。

剪切变薄或剪切变厚粘度随剪切速率(或应力)的变化而减小或增大时使用的术语;也就是说，得到的粘度值与测量时的剪切速率无关。对于表现出这种行为的材料，在与工艺相关的条件下进行测量，如剪切速率和温度，显然是至关重要的。

触变是用来描述材料表现出随时间变化的粘度行为的术语;黏度在稳定剪切时下降，在剪切应力减小时缓慢恢复。触变行为可用于特定的材料性能。此外，如果触变重建时间的特征不充分，那么测量的粘度数据可能是不准确的和误导性的。

粘弹性是用来描述同时表现出粘性和弹性行为的材料的术语，主要行为是取决于情况。例如，粘合剂的粘弹性性质与评估其保质期、使用后趋于平整和可兑换性有关。

法向力是由试样在垂直于施加剪应力的方向上产生的力。非常高的法向力特性可能会在叶片涂层等过程中产生问题，因为产品在应用时倾向于将叶片推开，增加涂层厚度并产生不均匀分布。

流变性能测量

历史上，流动杯和粘度计已被用于评估流变行为，但这些系统只允许在有限的剪切速率范围内进行评估，不能提供使用现代流变仪可以获得的信息。目前的仪器具有一系列的特点，有助于准确和有效地研究流变行为的许多方面。以下是特别相关的。

精确的温度控制

如上所述，粘度强烈依赖于温度，必须精确控制温度，以模拟涂层样品所经历的条件，并获得可靠的粘度测量。

缩小样本间隙

为了使用旋转流变仪测量材料的流变特性，通常将样品夹在锥体和板之间:通过旋转锥体施加剪切。为了准确测定剪切速率，流变仪在锥和板之间有一个狭窄的、精确定义的间隙。相比之下，一些粘度计在旋转表面和约束材料的表面之间有一个相对较大、定义不明确的间隙。当用这种类型的系统分析非常粘稠的材料时，样品中离旋转表面最远的部分可能是静止的，因此，很难精确测量整个样品的剪切速率。

在大范围内精确的速度测量

用流变仪，锥体的旋转速度是不同的，以应用不同的剪切速率。常规粘度计可用于应用剪切速率变化高达三个数量级;使用旋转流变仪，这个范围可以增加到10个数量级。仪器的动态范围很大程度上取决于速度测量的精度和范围。现代系统，如Bohlin Gemini(图2:Malvern Instruments)，可以精确测量转速，从每年一转到6000转/分(剪切速率超过10⁵年代^－1)．图3显示了不同的剪切速率，胶粘剂涂层可以承受。测量反映这些过程的剪切速率的能力是关键，因此具有广泛动态范围的流变仪在产品评估中比粘度计更有用。

振动测量

传统粘度计在应力或应变率应用方面往往是连续的;用旋转流变仪进行振荡实验是可能的。这些动态实验允许研究材料的粘弹性行为。这创造了一系列无损测试，可以探测材料的结构，以预测产品性能。由振荡测量确定的粘弹性参数包括存储(弹性)模量G’和损失(粘性)模量G”。这些参数的相对大小表明材料的结构是粘性主导的，即可能流动，还是弹性主导的，即可能是稳定的结构。粘弹性测量是频率的函数，以确定不同时间尺度上的主要材料响应。

旋转流变仪通常配有集成软件，以实现仪器的自动化控制。先进的软件可用于研究和开发新材料的关键参数的完全控制和分析，直到自动化质量控制程序的通过/失败报告。

案例研究

在下面的例子中，流变学研究的实际意义更详细地说明了，参考了涂料行业的一些具体例子。

高速辊涂的流变性

高速滚子涂料在低剪切速率和高剪切速率下的流变性能关系到有效产品的设计和配方。低剪切粘度数据可用于预测涂层在存储、辊筒起取和平整过程中的行为，而高剪切速率数据可提供有关涂层传递特性和机械稳定性的信息。

图4显示了三种不同黏合剂涂层样品在不同剪切速率范围内的测量数据。很明显，在相对较低的剪切速率下，三个样品的粘度非常相似。因此，使用传统的粘度计，样品看起来基本上是相同的。在高剪切速率下，更能代表试样在应用过程中所承受的条件，三者的行为明显不同。样品A表现出最低的粘度(在高剪切速率下)，因此预计具有最好的转移性能。另一方面，样品C的粘度显著上升，表明力学不稳定。

该研究说明了如何容易地执行流变测量提供数据，可用于开发和评估不同配方的性能。通过减少中试工厂试验和其他昂贵的调查，这种研究可以为最大限度地降低开发成功产品的成本做出有益的贡献。

预测涂料行为

涂料是复杂的胶体悬浮液，通常包含多种成分，包括扩展剂、颜料、流动调节剂和粘合剂。在加工和应用过程中，涂料受到各种不同的剪切制度，因此必须对配方进行操作，以确保产品性能的所有方面满足要求。例如，在生产过程中，油漆被泵送到工厂周围，使其受到中等到高度的剪切。储存和运输是低剪切过程。应用范围从中等剪切(浸渍)到高剪切(辊涂、喷涂)不等。当涂料干燥或固化时，表面张力和重力(低剪切)会产生影响。

图5显示了收集到的两个涂料样品的粘度数据。在低剪应力下，油漆1比油漆2粘性更大;油漆2粘度较低。在高剪切速率下，粘度紧密匹配，导致刷刷过程中性能相似。低剪切速率数据表明材料在干燥和水平时可能表现如何;这些结果表明，油漆1比油漆2更容易显示刷痕。油漆1具有更高的粘度，因此具有更高的流动阻力——在低重力应力下，这是作用在样品上的主要力，可以使刷痕平滑。显然，在这样的剪切速率下，油漆需要相当大的粘度，否则它就没有阻力完全从表面流出!

将预剪切条件与振荡(粘弹性)测试相结合，可以提供有关涂料在应用后的触变随时间变化的结构重建的信息。初始预剪切步骤，在合理的高剪切应力(或剪切速率)下，模拟将涂料刷到基材上的过程。连续剪切停止，然后对材料进行固定频率的低应力振荡测试，以研究涂料中发生的结构重建。

如前所述，重要的是涂料在应用后充分流动，以允许流平发生，但不是太多，以至于它下垂。从振荡试验中得到的粘弹性流变参数来看，这意味着在剪切条件下，损失(粘性)模量G'应立即主导存储(弹性)模量G'，这样就有可能通过某种流动使涂料变平。在某个有限的时间尺度上，行为应该有一个交叉，使得G'成为主导。从这一点上看，材料反应显示出凝胶状性质，不太可能继续流动，达到了所需的表面光洁度。图6a和6b显示了两种涂料在旋转剪切后的粘弹性响应。曲线表明涂料3(图6a)可能表现出过度的凹陷行为，因为损失模量G”始终是主要参数。涂料4应该表现出良好的水平和凹陷性能，因为结构在有限时间后变得弹性主导。

温度对产品性能的影响

流变仪还可用于研究流变行为如何随温度变化，从而评估不同产品对高温应用的适用性。在20 - 65ºC的温度范围内测量了样品的粘度与剪切速率的关系(图7)。正如预期的那样，在低于50ºC的温度下，在所有剪切速率下，粘度都随温度的升高而降低。然而，在此温度以上，在低剪切速率下，观察到更多不寻常的现象，并记录了高粘度值。这些粘度值归因于样品中的絮凝作用，表明该配方不太可能适用于高温应用。较高的剪切速率对这种絮凝不敏感，因为较高的力只会破坏结构。

结论

流变特性描述了材料行为的关键方面，因此在合理的产品性能和开发具有所需性能的新产品方面非常重要。在加工和应用过程中，油漆和涂料受到不同的剪切速率，重要的是，这些材料的流变性评估要考虑到这一点。流变仪的设计可以有效地进行有价值的流变学研究，提高相关数据的可访问性。所讨论的案例研究清楚地说明了这些数据的实际价值。