涂料的流變學介紹

涂料的流變學簡介（一）
前言

涂料中的流變學實際上是一門研究物質粘彈性的學科，且這種粘彈性會隨著外力的持續作用呈現非線性的變化。涂料從制備到運輸儲存再到最終的應用施工，每一步都與流變學有著密切的聯系。

涂料在生產的過程中處于中高剪切速率，此時需要賦予涂料適中的粘度。粘度太低，剪切力不足，不利于顏料分散；粘度太高，基料對顏料的潤濕性不好，亦會影響分散效率。另外，涂料的施工方式也多種多樣，包括噴涂、刷涂、輥涂、淋涂、浸涂等等，不同的施工方式也需要涂料具有不同的流變特性，賦予涂料優異的施工性。
流變學原理

粘度的概念

粘度是剪切應力與剪切速率的比值。因此 ，討論液體的粘度，首先要以液體所受到的剪切速率為前提。在涂料當中，絕大多數的液體的粘度是隨著剪切速率的變化而變化的，而且往往在低剪切速率下的粘度會高于高剪切速率下的粘度。也因此，測量粘度的時候，轉速越高，所測得的粘度往往會越低。

流體的分類

流體可以分為牛頓流體和非牛頓流體

在不同剪切速率下粘度保持恒定的流體稱之為牛頓型流體。涂料工業中，水、溶劑和一部分乳液可以認為近似牛頓流體。如果液體的粘度隨著剪切速率的變化也同時發生變化時，這種流體我們稱之為非牛頓流體。其中，非牛頓流體又分為塑性流體、假塑性流體和膨脹型流體。

1.塑性流體是指在受到外力作用時并不立即流動而要待外力增大到某一程度時才開始流動的流體。這個臨界點的力稱之為屈服值。典型的塑性流體如牙膏，和一些粘稠的顏料漿料。

2. 假塑性流體：隨著剪切速率的增大而粘度下降，且沒有屈服值的流體稱之為假塑性流體，大多數涂料均為這類流體。

3. 膨脹型流體：隨著剪切速率的增大而粘度上升的流體稱之為膨脹型流體。常見的膨脹型流體有瀝青、泥漿、玉米糊等，而涂料中則較少出現。

牛頓流體(1)假塑性流體(2)和膨脹塑性流體(3)的粘度曲線圖；圖中橫坐標為剪切速率，縱坐標為粘度

同時，在假塑性流體中，有一些受到剪切力后流體的粘度不會馬上恢復，而是需要一定的恢復時間，這種流變特性我們稱之為觸變性。

如上圖所示，用一臺流變儀測量粘度，先由低剪切速率測量到高剪切速率，再測回低剪切速率，所繪制的粘度曲線呈環形，表明粘度的恢復需要時間，這種流體就稱為觸變性流體。觸變型流體同時也是假塑性流體。而對于膨脹型流體，這種表現則稱為震凝性。

研究涂料的觸變性對于實際應用具有非常重要的意義。我們在測試粘度時，必須要考慮流體的觸變特性，如果對流體的粘度做重復測試，我們會發現測得的數據往往沒有重現性；或者在測量粘度之前搖晃了容器，亦會發現測得的數據會有偏差，這都是因為觸變性導致的。

粘度的測量

對于非牛頓型流體而言，不同的剪切速率下流體具有不同的粘度。因此，測量流體的粘度需要測定流體在不同剪切速率下的粘度，并繪制成一條曲線。

粘度的測量方法多種多樣，即便是在涂料領域，也需要多種多樣的測量方法，以滿足生產、施工的實用性。同時，每種方法所測得的剪切速率區間也各有差異。在涂料領域中，一般粘度的測量方法主要有流量杯法、落球法和旋轉粘度計法等。

常見的流量杯包括涂-4杯、巖田2#杯等。而常見的旋轉粘度計則包括彈簧旋轉粘度計、斯托默粘度計、高剪切粘度計等。

流量杯一般用于簡易測量，在施工現場等不便于精密測量的場合，流量杯具有優秀的便攜性和快捷性。但需要注意的是，流量杯一般測量低粘度的液體較為準確，例如用于噴涂或刷涂的開稀后的油漆，如果測量粘度較高的液體則準確性較差。

而旋轉粘度計一般用于實驗室開發涂料配方時的精確測量，不同的旋轉粘度計所測得的剪切速率范圍是有區別的。

    如圖所示，斯托默粘度計測量的粘度的剪切速率約在10² 1/s，為中剪切速率粘度，簡稱中剪粘度。Brookfield旋轉粘度計可以測量低-中剪切速率粘度，而ICI粘度計則用來測量高剪切速率粘度。還有一種更為高端的流變儀如來美CP5000流變儀，可以測量從10^-2-10⁴ 1/s范圍內的粘度值，且自動繪制出粘度曲線圖，以及剪切撤銷后的粘度恢復曲線圖，用于模擬實際施工，使配方設計更為精確、方便。

    如果沒有流變儀，在開發配方時，一般建議斯托默粘度計、Brookfield粘度計、來美粘度計和ICI粘度計搭配使用，這樣才能測得較為完整的粘度區間數據。低剪粘度代表的是涂料在靜置狀態下的粘度，可以體現涂料是否容易沉降，或是否容易流掛等。中剪粘度是表觀粘度，即為手動攪拌涂料時直觀感覺到的粘度。我們在平行對比兩種涂料的流變特性時，往往需要將兩種涂料調至接近的中剪粘度，或KU（斯托默）粘度，這樣得出的觸變性、后增稠等數據用于比較才更為準確。而高剪切速率粘度一般情況下影響的是涂料的流平性、豐滿度和抗飛濺性等，這在溶劑型涂料中體現的并不太明顯，但在水性涂料中影響很大。因此，溶劑型的涂料往往不太需要去檢測ICI粘度值，但水性涂料比較建議測試。當然，對涂膜的豐滿度影響最大的還是樹脂或乳液的種類，流變特性對豐滿度的影響只局限在相同的樹脂或乳液的情況。之所以高剪切速率粘度會影響涂膜豐滿度，是因為高剪粘度越高，涂刷時受到的阻力越大，涂料會更容易聚集，形成的漆膜也就越厚，豐滿度越高。

廣州來美科技有限公司

                                                        2020-2-26

來美粘度計CP3000和流變儀CP5000

優勢特點：

1、采用無彈簧電子傳感器，可靠性高，穩定性強，故障率低；

2、量程范圍較寬，轉速高，一個相當于其他品牌3臺的量程；

3、可以連接美標轉子，椎板轉子，同軸轉子，一機多用；

三、主要功能：

1、相對動力粘度(mPa.s) 2、絕對動力粘度(mPa.s) 3、斯托默粘度(KU)（需另選配斯托默轉子） 4、運動粘度（cst） 5、剪切速率 6、剪切應力

7、屈服應力 8、粘度-時間曲線 9、溫度

10、剪切稀化系數 11、流變曲線 12、觸變性

13、溫度-粘度曲線 14、凝固點溫度 15、凝膠時間

四、轉子系統：

1、錐板系統 2、板板系統 3、同軸系統 4、布氏系統 5、錨式系統 6、T型轉子系統

五、溫控系統：

1）溫度控制范圍： -5~182℃（-60~400℃可選）

2）高精度：0.01℃分辨率，

3）穩定性：+/-0.05℃

4）無需壓縮機噪音，

5）升溫降溫速度快，25-100℃升降溫大約2分鐘；

6）溫控曲線，升溫降溫速度可編程，50段程序控制。