图1点击图片查看大图。

有时候,你看到的就是你得到的。我们都知道外表是具有欺骗性的。以丙烯酸涂料为例。图1显示了两种不同的艺术家颜色,都是丙烯,每个罐子里都有一个压舌器。在图2a和图2b中,我们看到压舌器从油漆中抬起。为什么压舌器在液体涂料罐中可以保持垂直位置而不移动,而当拆除时,油漆可以很容易地从同一个压舌器上流出?

解释是,有两个期望的属性在起作用:屈服应力和剪切速率依赖性。这些物理性质说明了流动行为的几个方面。足够高的屈服应力可以使颜料、树脂和其他添加剂悬浮在颜料中,并在蘸过颜料后停留在画家的画笔上。油漆罐里的固定压舌器证实了这一点。剪切稀释涂料可以使涂料很容易地转移到画布上。如果不是这样,艺术家们会抱怨的。

考虑一下艺术家理想的希望是什么:使用者可以轻易地混合颜料(简单地摇晃或轻轻搅拌),蘸入颜料后容易附着在画笔上,涂抹时流动而不会扩散到画笔的宽度之外,当画笔从画布上抬起时停止流动而不会滴落。这些作用是施加剪应力和剪切速率的组合。如果油漆的屈服应力过高,油漆刷可能会伸展或以某个角度进入流体,而不是沿着插入路径;如果屈服应力过低,那么油漆可能会在去除后从刷上脱落。

另一个问题是,如果画笔在画布上涂抹时,颜料没有变薄(也称为“剪切变薄”)。效果可以是一个斑点状的外观和可见的堆积在涂层表面的油漆。当涂料太薄时,它会以一种不受欢迎的方式扩散到被涂的物品上,就会出现相反的问题。这些实例反映了产品不能正常运行的几种情况。



图2 - 3点击图片查看大图。

测量方法

了解正确的产品性能需要什么,可以让制造商找到合适的测量技术,以确保产品质量的一致性。例如,当用旋转粘度计测量丙烯酸涂料时,传统上采用单点粘度法:仪器扭矩范围(通常为RV),磁盘主轴(RV#4),单转速(100 rpm)和运行时间(60秒)。这为制造商提供了一种创建粘度目标值作为合格/失败点的方法。这是一种可接受的、可重复的方式,可以取代有时使用的主观测试,即手动搅拌油漆,看看它“感觉”如何,然后从视觉上评估油漆“看起来”如何。然而,由于只使用了一种转速,这并没有给出流动行为的全部情况。

图1中所示的丙烯酸涂料用两种工业中广泛使用的旋转方法进行了剪切依赖性测试。此外,每种方法都采用了不同的主轴几何形状:圆盘式主轴和同轴圆柱体(图3)。红色和白色丙烯酸涂料的简单粘度图显示,在100 rpm转速下,用布鲁克菲尔德RVDV-II+PRO盘式主轴RV#4粘度计测量时,两者的粘度值相似。我们在图4中看到的是两种粘度似乎相同的流体,958cP和906 cP。然而,红色样品比白色样品厚52 cP。此外,随着时间的推移,两者保持相同的粘度值,这表明不存在时间依赖性(也称为触变性)。知道了这一点,我们现在想看看剪切速率依赖性,看看流体的行为方式是否有差异。为了确保我们得到我们所看到的,我们需要在其他使用点更多地了解这些涂料。

使用Brookfield RVDV-III超流变仪,在小样品适配器室中使用同轴圆柱主轴SC4-21,流体的剪切剖面显示,两者都非常依赖剪切(图5)。红色油漆为3000 cP,稀释至710 cP,白色油漆为2700 cP,稀释至700 cP。两者在粘度和行为上都有相似的下降和恢复。因此,我们得出的结论是,当用画笔在画布表面上作画时,两种颜料都会以类似的方式流动。

这一流动曲线信息仍然不能解释为什么颜料在罐子里看起来有点固体,可以支撑一个压舌板。这就需要我们使用一种新的测量方法。



图4 - 5点击图片查看大图。

屈服应力测量

已经证明,白色涂料的测量粘度仅略薄于红色涂料。我们仍然需要知道白色的颜料是否会像红色的颜料一样粘在画家的画笔上。图6所测量的正是这种屈服应力特性,它显示了两种流体之间的差异,这在图5的流动曲线中没有显示出来。评估屈服应力可以提供单点和多点粘度测试无法轻易提供的额外信息。为了了解屈服应力可以告诉我们什么,以及它如何补充粘度测量,最好了解屈服应力是什么。



图6 - 9点击图片查看大图。

屈服点发生在材料开始流动的时候。相关的特性是屈服应力和屈服应变。屈服应力是施加在试样上的临界剪应力,它使试样像液体一样流动。屈服应变是流动开始时施加应力所引起的变形。YR-1流变仪中可用的新功能(图7)提供了直接测量该属性的能力。使用叶片主轴(图8)进行测量。在低转速时,叶片就像一个由样品本身制成的同心圆柱。这个概念如图9所示。叶片主轴的优点是在测试前对样品的破坏最小,因此更可靠地确定屈服应力。

在本文中,让我们把屈服应力看作是涂料中凝胶结构的测量值,该结构使压舌器保持直立。许多丙烯酸涂料屈服应力小,所以很容易搅拌。刷油漆可以提供足够的压力,使其在涂抹时容易流畅。如果颜料从画家的画笔上滴下来,屈服应力就会很低,画家就会在颜料从罐子到画布的过程中丢失颜料。

用Brookfield 1/4RV屈服流变仪和V-73叶片主轴测量图6中的屈服应力曲线。白色在3.84 Pa时产生,红色在4.78 Pa时产生。两种涂料的屈服应力值都足以使压舌器直立,但两种涂料之间屈服应力值的差异是导致一种涂料比另一种涂料更快地从压舌器上脱落的原因。

结论

有趣的是,对样本的视觉评估显示,当压舌器被移除时,白色样本比红色样本流动得更快。然而,除了“白色看起来更瘦”之外,什么也说不出来。在确定产品的合格/不合格标准时,始终提倡提供更可量化和可重复的测量方法。使用单剪切或变剪切的旋转粘度计测量粘度值,使用屈服试验机测量屈服应力值,必将提供可重复和有意义的测量。这将确保你所看到的就是你所得到的。

确认:杰克·罗克,黄金艺术家色彩

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