Modern Reolojik Ölçüm Yöntemleri ve Anton Paar Çözümleri

13 Kasım 2020

Reoloji, malzemelerin akış ve deformasyon altındaki davranışını inceler. Reolojik özelliklerin belirlenmesi için kullanılan ölçüm cihazlarına reometre, karşılık gelen ölçüm tekniğine reometri denir.

Hava yatağı destekli motora sahip bir reometre ile ölçümler yaparak, üretim sürecini, performans özelliklerini, uygulama sürecini ve katı kaplama filminin davranışını karakterize etmek mümkündür.

Bir numunenin viskozite veya elastikiyet gibi reolojik özellikleri bir reometre ile belirlenebilir. Süreç tasarımları, ürün geliştirme ve araştırma için ve ayrıca kalite güvencesinde kullanılabilirler. Rotasyonel testlerin bir sonucu olarak, ölçülen numunenin dinamik viskozitesi η belirlenebilir. Su gibi ideal bir viskoz (Newtonian) akışkanın viskozitesi artan kayma hızı ile değişmez, sabit kalır.

Çoğu kaplama sistemi, viskozitesi kayma hızı ile değişen ve elastik özelliklerinin genellikle uygulama davranışları üzerinde önemli bir etkisi olan viskoelastik malzemelerdir. Viskoelastik malzemeler hem viskoz hem de elastik davranış sergilerler ve salınım testleri aracılığıyla incelenebilirler.

Resim 1: Toz ve sıvı boya

 

MCR (Modüler Kompakt Reometre) serisinin;

  •  Fazla yer tutmayan dizaynı,
  • Çeşitli aksesuarların patentli ToolmasterTM teknolojisi ile otomatik tanınması ve konfigürasyonunun sağlanması ile kullanıcı hatalarının en aza indirgenmesi,
  • TruStrainTM ile eş zamanlı pozisyon kontrolü,
  • TruGapTM ile otomatik gap kontrolü
  • T-ReadyTM ile aktif numune sıcaklığı kontrolü
  • Hava-yataklı senkronize EC motor teknolojisi gibi özellikleri sayesinde MCR Reometreleri, reolojik ölçümler için ideal cihazlardır ve reolojik ölçümlerin etkili, yüksek verimde gerçekleştirilmesini sağlarlar. Rutin kalite kontrol uygulamalarından araştırma ve geliştirme uygulamalarına kadar bir çok test Anton Paar MCR serisi ile gerçekleştirilebilmektedir.

Özel aksesuarları bir araya getirebilen modüler tasarım sayesinde çeşitli ek parametreleri ölçmek de mümkündür, örn. DMTA (Dinamik Mekanik Termal Analiz), Toz Hücresi, UV kürleme sistemi vb. Burada sıvı halden katı hale kadar; boya ve kaplama endüstrisinin bu uygulamalarının bazıları aşağıda listelenmiştir.

Viskozite Eğrisinin Eldesi

Rotasyonel test ile viskozite ölçümü, sıvı numuneleri karakterize etmenin en yaygın yoludur. Birçok numunenin viskozitesi Newton kanuna uygun davranmadığından; diğer bir ifade ile kayma hızıyla viskozitesi değiştiğinden, viskozite eğrisinin eldesi için bir kayma hızı rampası kullanmak anlamlıdır.

Şekil 1: İdeal bir viskoz sıvının ve viskoelastik bir kaplamanın viskozite eğrileri

 

Şekil 1, iki farklı numunenin viskozite eğrilerini göstermektedir. Birincisi ideal bir viskoz sıvı, örneğin yağ; ikincisi ise kayma-incelmesi davranışına sahip bir kaplamadır. Kaplama, ideal viskoz sıvıya kıyasla düşük kayma hızlarında (0.01 ila 1 s-1) daha yüksek bir viskozite gösterir ve dikey yüzeylerde sarkmaya daha az eğilimlidir.

Daha yüksek kesme hızlarında kaplamanın viskozitesi çok daha düşüktür; bu nedenle boyayı pompalamak veya uygulamak için daha az güce ihtiyaç duyulacaktır. 5 ile 10 s-1 arasındaki kayma hızı aralığında, her iki numune de hemen hemen aynı viskoziteyi gösterir, ancak her iki numunenin akış davranışı önemli ölçüde farklılık göstermektedir. Viskoelastik numunelerin, geniş bir kayma hızı aralığında viskozitesinin ölçülmesi faydalı olacaktır.

Akış Eğrileri Yardımı ile Akma Noktası Tayini

Akma noktası, bir malzemenin akışa geçmesi için gereken minimum kuvveti olarak tanımlanır. Bu değer, bir akış eğrisi ve ardından eğriye bir regresyon uyarlanarak belirlenebilir. Akma noktasına bağlı olarak çeşitli numuneler birbirinden net bir şekilde ayırt edilebilir. Anton Paar MCR 72 ve daha kapsamlı cihaz konfigürasyonları bu tür ölçümler için idealdir.

Resim 2: “MCR x2 Reometre” ve “Uygulamalı Reoloji Kitabı”

Zamana Bağlı Yapısal Geri Kazanım

Uygulama sonrası (fırça, rulo veya sprey) zamana bağlı yapısal geri kazanım; yayılma ve sarkma davranışı için önemli bir kriterdir. Bu davranışı belirlemek için 3 adımlı tiksotropi testi (3ITT) iyi bir seçenektir. Bu test, rotasyon veya salınım modunda yapılabilir.

3 Adımlı Tiksotropi Testi (Salınım Testi)

• Adım 1 (Uygulama öncesi davranışı belirlemek) Bu aralık, örneklerin uygulama öncesi davranışını açıklar. Bu ölçüm adımında uygulanan deformasyon miktarı, malzeme yapısını tahrip etmeyecek kadardır. Uygulanacak deformasyon miktarı; önceden gerçekleştirilen bir deformasyon taramasından; lineer viskoelastik (LVE) bölge (malzemeyi tahrip etmeyen deformasyon aralığı) belirlenerek seçilir.

• Adım 2 (Uygulama esnasında, yapının tahrip edilmesi)

İkinci adımda; numunenin üç boyutlu kuvvet ağı, yüksek bir deformasyon veya yüksek kesme gerilmesi ile yok edilir. Bu bölüm, uygulama sürecini simüle eder, ör. püskürtme, fırçalama vb.

• Adım 3 (Uygulama sonrası zamana bağlı yapısal geri kazanım)

Bu adımda, numunenin zamana bağlı yapısal geri kazanımı belirlenir ve ilk adımla karşılaştırmak için ilk adımın ölçüm ayarları tekrarlanır.

Şekil 3, bir kaplamaya ait 3ITT ölçüm sonucunu göstermektedir. İlk adımda G’ (Depolama Modülü, elastik kısım), G” den (Kayıp Modül, viskoz kısım) daha yüksek olduğundan, numune hareketsiz durumda viskoelastik bir katı gibi davranır.

Bu Test Sonucu için İki Ana Analiz Mevcuttur:

• Yapısal geri kazanımın yüzde miktarı İlk adımın sonundaki G’ değeri bir referans değer olarak kullanılır (%100 yapısal dayanıma karşılık gelir). Birinci ve üçüncü adımın, G’ değerlerinin oranı, yapının belirli ve istenen zamanlarda geri kazanım yüzdesini tanımlar.

• G’ = G’’ kesişim noktası

Belli bir süre sonra G’ ve G” eğrileri kesişir. Bu, malzemenin uygulama sonrası viskoelastik bir sıvıdan jel benzeri bir katıya dönüştüğü anlamına gelir. Bu geçiş noktasına kadar boya hala yayılabilir ve pürüzsüz bir yüzey oluşturabilir. Kesişim noktasına ulaşma süresi çok uzun olduğunda ve buna çok yüksek katman kalınlıkları eşlik ettiğinde, “yolluklar”, “yırtıklar” veya “portakal kabuğu” etkileri meydana gelebilir. Yapının çok hızlı geri kazanımı, boyanın yayılması için yeterli zamanının olmamasına ve yüzey kusurlarının kalmasına neden olabilir.

Kaplama sistemi gereksinimlerine bağlı olarak, gerekli özellikler katkı maddelerinin eklenmesiyle ayarlanabilir.

Kürlenmiş Boya Filmlerinin DMTA (Dinamik Mekanik Termal Analiz) Ölçümleri

Kaplama sistemlerinin özelliklerini karakterize etmenin bir başka yolu, katı boya filmlerinin dinamik mekanik termal analiz (DMTA) ölçümlerini gerçekleştirmektir. DMTA ölçümlerinde, bir polimerin mekanik davranışı geniş bir sıcaklık aralığında ölçülür.

DMTA ölçümleri ve camsı geçiş sıcaklığının belirlenmesi TG, kürlenmiş kaplama filminin çeşitli sıcaklıklarda esnekliği hakkında değerli bilgiler sağlar. Örneğin kaplamanın direnci, camsı geçiş sıcaklığı ile kontrol edilebilir.

Resim 3: DMTA ölçümü için konveksiyon ısıtma fırını ile donatılmış “MCR xx2 Serisi Reometre” ve “RheoCompass Yazılımı”

Tg camsı geçiş sıcaklığının altında bir numune sert, kırılgan ve camsı davranır ve neredeyse deforme edilemez. Camsı geçiş sıcaklığının (Tg) üzerinde malzeme, polimerin türüne bağlı olarak ya kauçuk-elastik aralıktadır (kürlenmiş kaplama filmi gibi) ya da sıcaklık daha da arttığında erimiş halde bulunur.

DMTA ölçümleri için, hava yatağı destekli motora sahip reometre ve film-fiber fikstür (UXF) kullanılabilir. Hassas bir sıcaklık kontrolü sağlamak için reometreye bir buharlaştırıcı ünitesi ve sıvı nitrojen ile soğutma için bir Dewar kabı olan bir konveksiyon ısıtma fırını monte edilebilmektedir.

UXF ile bir çekme testi gerçekleştirilir, film kelepçelenir ve tanımlanmış bir ön gerilim ile başlangıç sıcaklığına ulaştıktan sonra gerilir ve ardından salınım testi ile ölçülür.

Isıtma sırasında numuneyi gergin tutmak için ön gerilim gereklidir.Salınımın hem ön gerilimi hem de ön ayarları, numunenin yapısı ön ayarlardan etkilenmeyecek şekilde seçilir. Daha sonra sıcaklık, örneğin 2 K/dak sabit bir ısıtma hızıyla arttırılır.

Toz Reolojisi: Toz Boya ve Hammadde Ölçümleri

Anton Paar’ın iki çeşit toz hücresi (toz akış hücresi ve toz kayma hücresi), çeşitli toz özelliklerinin ve işleme parametrelerinin belirlenmesine izin veren bir ölçüm seti sunar. Bu set, bir tozu karakterize etmeye, tanımlamaya ve ayrıca işleme, taşıma ve depolama sırasındaki davranışını tahmin etmeye yardımcı olur. Yazılımda çok çeşitli özel toz ölçüm yöntemleri uygulanmaktadır ve çoğu oldukça kısa sürer.

Şekil 5: “MCR Reometre”ler için iki toz aksesuarının uzmanlık alanları ve yöntemleri

 

Kohezyon gücü ölçümleri bu ölçümlerden biridir. Kohezyon mukavemeti, tozun akmaya karşı iç direncini ve dolayısıyla toz akışkanlığının bir ölçüsünü tanımlar. Toz parçacıkları arasındaki bağlanma kuvvetlerinin gücü için bir ölçü olarak tanımlanır. Kohezyon gücü ölçümleri hızlıdır ve yüksek tekrarlanabilirlik sağlar; toz davranışını tahmin etmek için bir kalite kontrol aracı olarak yardımcı olur. Temeli Mohr-Coulomb teorsine dayanmaktadır.

Referanslar 
1- Anton Paar Uygulama Notu: Rheology of Coatings: Determining the Yield Point with the MCR 72
2- Anton Paar Uygulama Notu: Rheology of Coatings: Thixotropic Behavior with the MCR 72
3- Anton Paar Uygulama Notu: Modern rheological measuring methods for the coating technology
4- Anton Paar Uygulama Notu: Introduction to Powder Rheology 5-Mezger, Thomas: The Rheology-Handbook, 3rd Revised Edition, Hanover:Vincentz Network, 2011.