Paints and Coatings

1. Paints and Coatings Viktor Kürsteiner Tracomme AG

2. Wovon ist die Viskosität h abhängig? • Chem./physikal. Beschaffenheit h= f ( S ) • Temperatur h= f ( T ) • Druck h= f ( p ) • Schergeschwindigkeit h= f ( ) • Zeit h= f ( t ) Scherzeit, Ruhezeit • Andere z. B. elektrische, magnetische Feldstärke Die Viskosität ist keine Konstante, sondern abhängig von anderen Größen: . g Eine Viskosität sollte immer zusammen mit den relevanten Einflussgrößen und der Vorgeschichte der Probe angegeben werden. z.B.: h = 1,4 Pa∙s (20°C, 100 s-1, nach 1 min Vorscherung mit 200 s-1)

3. Wie ist die Viskosität definiert? Drehmoment Md∙ Schubfaktor A Schubspannung Viskosität = Schergeschwindigkeit Drehzahl W∙ Scherfaktor M Absolute Messungen Kenntnis der A- und M-Geometriefaktoren für die jeweilige Messgeometrie(Herstellerzertifikat) Relative Messungen A- und M-Geometriefaktoren für die jeweilige Messgeometrienicht berechenbar(z.B. Brookfield-Norm, Ford-Becher)

4. Bestimmung der Viskosität Die Viskositätkannnurindirektbestimmtwerden: Viskosität (dynamisch) h [Pa∙s] Schubspannung t [Pa] Deformation g [-] Schergeschwindigkeit g [1/s] . . A F, v h Die Berechnung der Viskosität ist nur für laminare Strömungen möglich!

5. Viskosität ausgewählter Fluide bei 20°C Luft 0,02 mPas 0,00002 Pas Petrol 0,65 mPas 0,00065 Pas Wasser 1 mPas 0,001 Pas Quecksilber 1,5 mPas 1,5 Pas Traubensaft 2 – 5 mPas 0,002 Pas Blut (bei 37°) 4 – 15 mPas 0,004 Pas Kafferahm 10 mPas 0,01 Pas Olivenöl 100 mPas 0,1 Pas Honig 10‘000 mPas 10 Pas Teer 1‘000‘000 mPas 1‘000 Pas Bitumen 100‘000‘000 mPas 0,1 MPas Graphit 1E26 mPas 1E11 GPas

6. Viskositäten und deren Einheiten (Rotations-, Kugelfall-, Kapillar-Viskosimeter) . •  = Dynamische (Scher-)Viskosität [Pa∙s] =  /  • 1 Pa∙s = 1000 mPa∙s • 1 mPa∙s = 1cP (centi Poise) • = Schubspannung (Scherspannung) [Pa]  = Schergeschwindigkeit [1/s] •  = Kinematische Viskosität [mm2/s]  =  /  • 1 mm2/s = 1 cSt (centi Stokes) •  = Dichte [kg/m3] • rel= Relative Viskosität [-] rel = 1/2 z.B.: HAAKE-Einheiten .

7. Auslaufbecher Auslaufbecher DIN Ford Strassenteer-Viskosimeter Eintauchbecher

8. Vorteile Methode Vorteile Nachteile Auslaufbecher The Ford-Cup • Messung der Zeit Dt (für ein definiertes Volumen) • Sekunden als Index für die Viskosität • relativ,typ des Bechersund Düse sind fest.z.B. DIN-cupTyp A Düse Nr. 4 • Keine Temperierung • Falsche Werte für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten • Nicht für Flüssigkeiten mit Fliessgrenze • günstig • einfaches handling • schnell • Einfache Reinigung

9. Rotationsviskosimeter (relativ) Vorteile: • einfach, leichte Handhabung • schnelle Messung • geringer Reinigungsaufwand • u.U. einzige Möglichkeit zu messen • preisgünstig Methode: Rotationsviskosimeter mit Sensorgeometrie, die kein berechenbares Strömungsfeld hat, meist untemperierte Messzelle Nachteile: • relativ - für Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten • nur vergleichbar mit gleichem Sensor und gleichen Messbedingungen • häufig Temperierfehler • grosserMessfehler

10. ICI Platte-Kegel Viskosimeter

11. Rotations-Viskosimeter HAAKE Viscotester 1/2 HAAKE Viscotester 550 HAAKE Viscotester 6/7 HAAKE MARS III HAAKE RheoStress 6000 HAAKE CaBER 1 HAAKE Series 1 Dehn- Rheometer relative Messungen absolute Messungen

12. RheologischeBestimmungenbeiFarben/lacken • R&D: Entwicklung und Formulierung • QC von RohstoffenwieBindemittel, Lösungsmittel, Pigmente, Füllstoffe und Additive • Formulierungwirdeingestellt auf: • Mischverhalten • Dispergierverhalten • Pumpverhalten • Homogenität • Stabilität • Applikation • Um die Dimension zubestimmen von: • Leitungen • Pumpen • Rühkesseln • Abfüllmaschinen • Düsen • QC von Produkten • Stabilitätwährend Transport und Lagerung • Keine Sedimentation, Ausflockung, Agglomeration, Coagulation

13. . log Schergeschwindigkeit [1/s] Abhängigkeit von der Schergeschwindigkeit Newtonsches Fließverhalten Viskosität ist unabhängig von der Schergeschwindigkeit Beispiele: Wasser Mineralöle Bitumen Zuckerlösungen log Viskositäth [Pa∙s] log Schubspannungt [Pa] Steigung 1

14. Pseudoplastastizität/ Strukturviskoses Verhalten Nahezu alle polymerhaltigen Fluide (z.B. Duschgel, ...) Nicht-Newtonsches Fließverhalten . .  = f () = f () (M und W gemessen)(berechnet) log Schubspannung  [Pa] log Viskosität h [Pa∙s] Steigung > -0.82 Steigung = 1 . . log Schergeschwindigkeit [1/s] log Schergeschwindigkeit [1/s]

15. Fließverhalten:"Rheology is a plot not a dot !" Problem: Widersprüchliche Ergebnisse durch Einpunktmessungen, erklärbar nur durch Messkurven (T = 40 °C) kleiner gleich t größer

16. Strukturviskoses Fließverhalten

17. Viskosität: Scherraten - Abhängigkeit ScherratenfürverschiedeneFarben-Lack-Applikationen Transport Lagerung Haltbarkeit Produktion Applikation Viscositätin Pa · s Verlauf Sedimentation Konsistenzim Kessel Streichen Sprayen Rollen ScherRate in s-1

18. m/s . g = m v y ExperimentelleBestimmung des Fliessverhaltens Transport Eigenschaften Pumpen, Rühren, Abfüllen BeschichtungmiteinerFarbeKraft währenddemStreichenDickederBeschichtungnachdem FarbauftragTröpfchengröse Ablaufverhalten Nasenbildung LagerverhaltenSedimentationPhasenSeparation Was will ichmessen? Experiment sollRealitätsimulieren

19. h t0 Fliessgrenze Ablaufverhalten Farbe mit Fliessgrenze t0after t1 > 0 Direkt nach Auftrag auf die Wand Farbe ohne Fliessgrenze nach t1 > 0 s

20. mit ohne Fliessgrenze Scherkraftrampe(CS) Aufzeichnen der Scherkraft t und Messung der resultierenden Deformation d Kreuzpunkt der beiden Tangenten zeigt die Fliessgrenze

21. 120 100 80 t [Pa] 60 Extrapolation Casson: 0 = 9 Pa 40 20 0 . 0 10 20 30 40 50 60 . g [1/s] Fließgrenze bestimmen mit einer CR-Rampe Extrapolation der Fließkurvemit rheologischem Modell-Kurvenfit Vorgabe: CR-Rampe: Schergeschwindigkeit  zunehmend mit der Zeit Messung: Schubspannung  Ergebnis und Auswertung:  = f(), Extrapolation auf   0 . . .

22. Applikation Beispiel 1 Siebdruck Screen Printing

23. Siebdruck Einsatzfürz.B.: • ElectronischeLeiterplatten! • Kunstwerke • DekorativenDruck auf schwierigeOberflächen • Textil Design Marilyn Monroe (silkscreen by Andy Warhole 1962)

24. . g2 . g3 . g1 ... g1>g2>g3 Siebdruck SchematischeBeschreibung • Bestimmung des nicht-NewtonschenVerhaltens in einemweitenScherbereich • Fliessgrenzenbestimmung • Thixotropie Tests Rakel Druckfarbe Sieb R CR CS Substrate

25. Thixotropie? Interessiert mich das?

26. . g [1/s] Thixotropie: Fläche innerhalb Thixotropie-Schleife Vollständig reversibler Strukturabbau unter Scherung Beispiele: Mayonnaise, Ketchup 1000 500 450 400 100 350 Fließkurve 300 t [Pa] h [Pa∙s] 10 250 200 150 1 100 Viskositätskurve 50 0.1 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

27. Farben / Putze

28. Thixotropie • Gemessener Viskositätswert anfangs wechselnd, dann konstant - Dauer bis zum stationären Zustand hängt von Schergeschwindigkeit ab • Kann mit einfachen Geräten durchgeführt werden

29. Rheopexie (Antithixotropie) Vollständig reversibler Strukturaufbau bei Scherung Beispiele: Dispersionen mit hohem Feststoffgehalt (Latex, Gießschlicker, Plastisole) können Rheopexie zeigen Tipp: Bei Rheopexie stets die Messung wiederholen, da Rheopexie selten ist und häufig ein Artefakt vorliegt. echte Rheopexie ist sehr selten !

30. Fließverhalten:Thixotropie und Rheopexie Bestimmung der Thixotropie: Fließkurve Vorgabe: Schergeschwindigkeits-Rampe (steigend und fallend) Messung: Schubspannung  = f() Ergebnis: Berechnung der Viskosität =f (, t)Ermittlung der ThixotropieflächeA . . . A Kurze Messzeit Lange Messzeit Messung im Gleichgewicht Das Ergebnis des Thixotropie- Loops hängt von den gewählten Parametern ab!

31. Siebdruck Thixotropie Test Methode • Bestimmung des ursprünglichenZustandes (tiefeScherkraft, Scherrate, Oszillationrate) • DesaggregationbeikonstanterScherratebiseinkonstantesViskositätsniveaerreichtist • Reaggregation (tiefeScherkraft, Scherrate, Oszillationrate)

32. Fließverhalten:Thixotropie und Rheopexie Fließkurven(Fläche in Thixotropie-Schleife) Experimentelle Bestimmung scherzeitabhängiger Phänomene:Thixotropie (Rheopexie) Ziel: Bestimmung der Viskositätserniedrigung bei Scherung und Strukturaufbau in der Ruhephase (ohne Scherung) zur Voraussage von Verlaufseigenschaften, Verstreichbarkeit, Lagerstabilität, etc. Zeitkurven(Zeit für Strukturerholung) . g t

33. ApplikationBeispiel 2 Sprayen

34. Spray Coating BesteErgebnissebeiunebenen und komplexenOberflächen Graffiti

35. Atomization AtomisationistderProzess des Bulkaufbrechens in kleineTröpfchen • Die TröpfchengrösseistunteranderemabhängigvomFliessverhalten • Viskosität • Oberflächenspannung • Dichte Nozzle Transition Compressed Air Coating Spray Coating Schematic Description Substrate

36. Spray Coating High Shear Geometrie Kardangelenk Three gap sizes available HS 28 hardenedcup Suitablefor TEF/Z28 25 µm 100 µm 400 µm • Selbstzentrierung bei hohen Geschwindigkeiten • Ungeeignet für tiefe Geschwindigkeiten

37. Spray Coating High ShearMessung einer keramischen Farbe Maximum torque at 44.8 mNm Maximum shear rate at 50000 s-1

38. Applikation Beispiel 3 Pulverbeschichtung

39. MechanischeoderchemischeVorbehandlung elektrostatischeSprühpistole Erdung positivgeladenePartikel Thermische (160 - 200°C) oder UV-Härtung Pulverbeschichtung Step 3: thermischesHärtenderBeschichtung Step 1: Vorbehandlung des Untergrundes Step 2: Applikation des Pulvers Substrat

40. 107 106 105 104 G' [Pa] G" [Pa] 103 102 101 100 0 500 1000 1500 t [s] Pulverbeschichtung VolldurchgehärteteBeschichtung Pulverschmilzt Elastischer Anteil G' Temperatursteigt Viskositätfällt Viskoser Anteil G' ' Cross-over Härtung in 2 Schritten Start derReaktion

41. Einweg-Messeinrichtungen Anwendung: Substanzen, die • bei der Vernetzung oder Aushärtung die Messgeometrie verkleben • schwierig zu entfernen sind • keine Reinigung erforderlich • höherer Probendurchsatz • Sorgfalt beim Zusammenstecken erforderlich • geringere Parallelität der Platten

42. Application Beispiel 4 Offset Druck

43. . g≈ 1.0 · 106 s-1 Offset Druck SchematischeBeschreibung Druckfarben Eigenschaften: Hochviskose Materialien (40 – 100 Pa s) Ink Roll Coating Roll v = 500 - 1000 1/min • Druck Prozess: • hohe Scherraten • Normalerweise Raumtemperatur Normalerweise modifiziert der Druckfarbenproduzent die Farben auf die Anforderungen der Druckmaschine Substrat Offset Roll y ≈ 10 µm Impression Roll

44. Offset Druck DerunerwünschteEffektderNebelbildung (Misting) abhängig von: • RotationsgeschwindigkeitderDruckrollen • ZusammensetzungderDruckfarbe

45. Dehnregion Offset Druck Misting hoheGeschwindigkeit Moderate Geschwindigkeit Misting Coating Roll Substrate Die Tendenzzum misting kann oft nichtmit rotations- oderoszillations- Experimentenbestimmtwerden!

46. Offset Druck Die Lösung… CaBER 1

47. Offset Druck ZweiverschiedneDruckfarbenmit fast identischemVerhalten in Rotations- und OszillationstestmethodenabersignifikantenUnterschiedenimDehnverhalten! less misting

48. ApplikationBeispiel 5 Curtain Coating

49. Coating Düse v ≈ 1 - 35 m/s BereichhöhererScherraten PseudoplastischesVerhaltenerwünschtfürgleichmässigeOberflächen Substrate Curtain Coating SchematischeBeschreibung • KontaktloseApplikation • GeeignetfürgeringeSchichtdicken • GleichmässigeOberfläche • MinimaleFliessgeschwindigkeitfüreinengarantiertununterbrochenenVorhang

50. Curtain Coating Bestimmung des Dehnverhaltens Korrelation des FilmrissesmitderAbrisszeit des CaBERExperiments CaBER 1