В целях удовлетворения потребностей потребителей лакокрасочной продукции  необходимо минимизировать или устранить такие проблемы  проблемы, как синерезис (отделение жидкой дисперсной среды); выделение пигмента (изменение состава краски внутри контейнера); выделение частиц (изменение гранулометрического состава внутри контейнера)…

В целях дальнейшего удовлетворения потребностей потребителей необходимо минимизировать или устранить следующие проблемы, связанные с устойчивостью красок:
- Синерезис – отделение жидкой дисперсной среды;
- Выделение пигмента – изменение состава краски внутри контейнера;
- Выделение частиц – изменение гранулометрического состава внутри контейнера.

Эти проблемы устойчивости необходимо решать не только во время разработки новых красок, но также и для обеспечения качества во время серийного производства. Это показание по применению демонстрирует, что аналитическое центрифугирование с большим количеством образцов можно использовать как эффективное средство ускоренной оценки устойчивости красок на отделение.

К тому же эта технология обеспечивает получение высококачественных данных по гранулометрическому составу пигментов или эмульсий.

Как работает аналитическое центрифугирование с большим количеством образцов?

В устройствах LUMiFuge® / LUMiSizer® используется технология STEP-Technology™, которая позволяет измерить интенсивность проходящего света как функции времени и положения над всей длиной образца одновременно. Данные отображаются в виде функции радиального положения, в виде расстояния от центра вращения (профили передачи, см. Рис. 1). Во время одного испытательного прогона можно измерить до двенадцати различных образцов, обеспечивая таким образом получение большого объема выходных данных.

Рисунок 1: Развитие профилей передачи с течением времени - первый профиль, зафиксированный через 30 секунд, является самым низким (красный), последний, зафиксированный через два часа, является самым высоким (зеленый), центрифугирование состава красителя (в котором присутствует осаждение зоны и выделение пигмента), ускорение 2300 g, при температуре 20 °C, над образцом после центрифугирования

При помощи доступных моделей анализа «Integral Transmission» (скорость очистки) и «Front Tracking» (скорость отделения) можно сравнивать и подробно анализировать поведение отдельных образцов при отделении.

Образцы, чувствительные к синерезису и выделению пигмента

На Рисунке 1 отображаются профили передачи для состава красителя, демонстрирующего синерезис и выделение пигмента, который был проанализирован при вращении 4000 оборотов в минуту (2300 g) (на фотографии виден образец после центрифугирования).

В соответствии с Рис. 1 (верхняя часть) визуальное изучение образца после центрифугирования обнаруживает наличие синерезиса (прозрачная жидкость в верхней части образца) и выделение пигмента (более насыщенный красный цвет в нижней части осадка). Перемещение и конечное положение дисперсии красителя на границе между участками – супернатанта, не содержащего частиц – можно непосредственно отследить при помощи оптической системы обнаружения. Выделение пигмента также можно наблюдать посредством оптической проверки после центрифугирования. Длина волны при обнаружении (ближняя ИК-область спектра) выбирается целенаправленно, так как она нечувствительна к цвету. Таким образом, перемещение частиц можно отследить даже в растворах темного цвета.

Резкий рост профилей передачи на уровне приблизительно 107.5 мм соответствует верхней границе заполнения образца. Дно сосуда расположено приблизительно на уровне 130 мм. Профили передачи отображают различные уровни концентрации частиц внутри образца (низкая передача означает сильную концентрацию частиц, высокая передача – слабую концентрацию частиц).

Временная шкала профилей передачи показывает, что процесс выделения характеризуется тем, что ярко выраженный фронт движется в сторону дна сосуда, то есть все частицы движутся совместно (осаждение зоны). Так как частицы движутся совместно, никакого выделения частиц (сортировка частиц по размеру) не происходит.

Образцы, чувствительные к разделению частиц

Ниже указывается набор профилей передачи, полученный из краски на основе латекса (Рис.2).

При перемещении частиц с различными скоростями можно наблюдать сверхполидисперсное осаждение (ярко выраженный фронт отсутствует). Значительный рост передачи на высоте около 106 мм соответствует верхней границе заполнения образца. Полидисперсное осаждение характерно для коллоидной степени устойчивой дисперсности (это не означает физическую устойчивость против осаждения, а скорее устойчивость против скопления). Более того, наличие размытого фронта означает разнообразный гранулометрический состав. При полидисперсном осаждении приходится ожидать выделения частиц как главного процесса расслоения в этой краске на основе латекса.

Рисунок 2: Развитие профилей передачи с течением времени – первый профиль, зафиксированный через 10 секунд, является самым низким (красный), последний, зафиксированный через 15 часов, является самым высоким (зеленый), центрифугирование краски на основе латекса, ускорение 328 g, при температуре 20 °C, отображается каждый 25й профиль.

Как сравнивать качество различных образцов/серий
В качестве строго критерия качества можно установить отсутствие отклонений при передаче, а также не должно наблюдаться выделения пигмента после долгого центрифугирования на высокой скорости. Помимо этого программное обеспечение, используемое на аналитической центрифуге с большим количеством образцов, позволяет проводить прямое сравнение кинетики, присущей процессам разделения (полидисперсное разделение или раздвижка зон) в различных образцах, которые измерялись при абсолютно одинаковых условиях (Рис. 3). Это позволяет определить поведение, необходимое для достижения цели, то есть кинетика разделения должна быть как минимум такой же медленной, как и для стандартного продукта проверенного качества.

Рисунок 3: Кинетика разделения трех различных серий латексной краски в течение долгого центрифугирования, ускорение 328 g. Перемещение супернатанта-дисперсии на границе между участками. Сравнение с продуктом стандартного качества.

Можно ли считать результаты, полученные при центробежном ускорении, надежными для оценки устойчивости в условиях обычной силы тяжести?

Для красок, характеризующихся ньютоновским поведением, скорость разделения линейно соответствует действующему ускорению. Тем не менее, краски обычно демонстрируют комплексное не ньютоновское поведение. Разжижение после сдвига и предел текучести часто являются желаемыми свойствами состава краски.

Поэтому возникает вопрос, как установить поведение при обычной тяжести на основе результатов центрифугирования?

Простой ответ заключается в том, что разделение центрифугированием необходимо оценивать как функцию центробежного ускорения, как минимум на сравнительно низком и на более высоком ускорении.

Таким образом появляется возможность определить, происходит ли выделение частиц и пигмента при низком ускорении (обычная сила тяжести) и происходит ли увеличение скорости разделения в линейном соответствии с ускорением. Последняя величина определяет реологическое поведение состава (разжижение после сдвига, загущение после сдвига или ньютоновское поведение). Пример приводится в Таблице 1, в которой отображаются результаты по составам красителей из различных пробных серий. Измерения проводились при 4000 оборотов в минуту (2300 g, 2 часа) и при 1500 оборотов в минуту (328 g, 14 часов).

Следует обратить внимание на одинаковые коэффициенты между ускорениями 2300 g/ 328 g и продолжительностью измерений 14 часов / 2 часа. В случае ньютоновского поведения следовало бы ожидать одинакового коэффициента и для скоростей разделения, а степень разделения фаз (объем супернатанта / объем образца) должен быть одинаков во время обоих измерений.

Центрифугирование при ускорении 328 и 2300 g (14 часов и 2 часа, соответственно), 20 °C. (v328 и v2300 – скорость разделения при ускорении 328 и 2300 g, v/v 2300/328 – соотношение между скоростью разделения, измеренной при 2300 и 328 g, которое должно быть близко к величине 7 для ньютоновского поведения, < 7 указывает на загущение после сдвига и > 7 указывает на разжижение после сдвига
n.o. = не наблюдается
+   ++   +++ - диапазон от слабого до очень сильного выделения пигмента.

Образец А демонстрирует очень сильное выделение пигмента при ускорении 2300 g. Тем не менее, этот образец очень устойчив, так как он обладает пределом текучести, и при более слабом ускорении разделение не отслеживается. Значительные сложности с точки зрения устойчивости обнаруживаются у образцов В (интенсивный синерезис), С (очень сильное выделение пигмента) и G (умеренный синерезис, но образец демонстрирует загущение после сдвига, то есть при обычной силе тяжести следует ожидать даже более высокий синерезис).

Выводы

- Аналитическое центрифугирование с большим количеством образцов можно использовать в качестве эффективного отборочного средства для ускоренной оценки устойчивости красок против разделения.
- Такие проблемы устойчивости, как синерезис, выделение пигмента и частиц, можно установить и измерить. Качество различных образцов/серий можно сравнивать непосредственным образом за относительно короткое время.

Проводя сравнение при относительно слабом и более сильном ускорении можно получить надежную информацию об устойчивости в условиях обычной силы тяжести. К тому же, получается ценная информация о реологическом поведении состава краски.

При подготовке статьи использованы материалы:
 http://www.specialchem4polymers.com

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Любовь Олиферова,
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru