微流控可視流變儀測量涂料的高剪切流變性

2020-06-03

1.涂料流變性的測量

涂料的流變性是指其在外力作用下的流動和變形性。流變性和涂料配方的穩定性、實用性密切相關。在一個涂料配方中，樹脂、顏料和溶劑的組合本身并沒有優化的效果。因此，絕大多數配方含有流變改進劑，以便使終產品具有較好的流變性。因此，涂料具有合適的流變性是非常關鍵的，所以選擇正確的流變改性劑組合對于配制這種涂料非常關鍵。

事實上，所有涂料都具有非牛頓流體的特性，這意味著它們的黏度在所有剪切速率下不相同。通常，水性涂料具有剪切稀釋性能，即在較高剪切速率下具有較低黏度。然而，這種黏度的降低并不是的，只有在較高剪切速率時才能出現。當剪切速率又變低時，涂料再次顯示較高的黏度。為了表示這種剪切變稀的性能，將剪切速率圖分成三個區域：即低剪切、中等剪切和高剪切（圖1）。從這種三點特征可對流變劑組合的改變對具有各種流變性特征的涂料性能的提高或降低（如抗流掛性和拉刷子）進行有用的評價。

圖1 剪切稀釋型流體粘度隨剪切速率變化曲線

但是在測量流變性時，常規的機械旋轉流變儀僅能在低剪切和中等剪切范圍內進行有效的測量，因為在較低的剪切速率時流體是層流狀態，當剪切速率超過1000s-1后，流體變為湍流狀態，從而無法進行有效的測量。當我們比較兩個樣品的流變性時，只能通過中低剪切速率時的粘度曲線走勢，來想象推測高剪切時的粘度，這無疑是非常不科學的。Fluidicam微流控可視流變儀可以測量樣品在不同的流速下的粘度，獲得完整的流變曲線來反映樣品粘度隨所施加的剪切速率的變化行為。

Fluidicam微流控可視流變儀比常規的機械旋轉流變儀測量更快、更簡單、樣品消耗量量更少，大大提高流變測試的效率并減少了研究和開發成本。

2．微流控測試技術

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科。微流控的早期概念可以追溯到19世紀70年代采用光刻技術在硅片上制作的氣相色譜儀，而后又發展為微流控毛細管電泳儀和微反應器等。微流控的重要特征之一是微尺度環境下具有*的流體性質始終保持層流特性，利用這一特性可以非常精確地獲取樣品在超高剪切速率下（高可達180000s-1）的粘度。

圖2 微流控芯片

圖3 涂料流動時的界面位置照片

FLUIDICAM使用微流控技術測量樣品的粘度，樣品和標準液同時被泵入到微流控通道中(尺寸 寬X高 2.2mm X 50 /150µm) 經過強烈的剪切，通過電腦調整樣品和標準液泵入的速度即可調整剪切速率。在這個條件下，界面位置僅與樣品和標準品液粘度比相關。通過高清攝像機獲取層流流體界面的位置，然后軟件自動繪制樣品在不同剪切速率或溫度下的粘度曲線。

3.測試結果

3.1 涂料流變性 

不同品牌的涂料A、B1、B2、C。

圖4 涂料粘度隨剪切速率變化曲線

從數據中可見不同涂料的粘度曲線呈現不同趨勢：高質量涂料Brand B2 和 Brand C在低剪切速率下粘度較高更適合懸浮顆粒，并且在高剪切時粘度快速下降，易于涂抹。而Brand A剪切稀釋效果不明顯，需要調整配方中的流變改性劑。Brand B 1 粘度過高，不易施工涂抹。

3.2 墨水、油墨

陶瓷油墨的粘度是一個非常重要的參數，對不同印刷方法和機器類型必須控制不同粘度。因此，油墨需要調整配方達到目標粘度。油墨的粘度受混合的不同溶劑影響，但其他參數也會影響粘度，如顏料的粒徑或其分散的過程（高速/高壓/均質機、研磨、超聲波等）。在一般情況下，目標是在印刷溫度（40-45°）下的粘度約為10-20cp。

圖5 墨水粘度隨剪切速率變化曲線

不同顏色的陶瓷油墨樣品呈現微弱的剪切變稀的行為，藍色sample3樣品具有較高的粘度，橙色sample2粘度較低，三者都在目標粘度范圍內。值得一提的是，Fluidicam微流控可視流變儀的實驗相對標準偏差僅為1%。測試過程*密閉，避免了樣品蒸發，減少了實驗人員的健康損害。

3.3 墨水工藝對高剪切粘度的影響

下圖是某廠商提供的墨水樣品，采用三種不同的分散工藝：basic基礎、MF微乳化、Omega。實際印刷過程中Omega工藝的印刷質量較差，廠商猜測是不同粘度導致的，但是機械旋轉流變儀無法提供足夠的精度。下圖是使用Fluidicam測試的三種不同工藝的兩種顏色墨水的粘度。

圖6 墨水在高剪切速率下的粘度

從圖中可見，Omega工藝制備而成的粘度確實比Basic和MF的粘度稍低，可見Fluidicam具有非常高的精度，可以表征微小的粘度差異。

4、結論

1．涂料粘度必須考慮平衡性，既要足夠低，以便具有較好的流動和流平性，方便施工，但又不能太低，以防發生流掛，或包裝儲運時發生顏料沉積。測試涂料在不同剪切速率下的流變性是非常重要的。

2．微流控流變是一種非常新穎的流變性測試技術，Fluidicam微流控可視流變儀具有高剪切頻率范圍、精確、快速、簡單、樣品消耗量小的優點，是一款非常先進的流變性測試工具。

微流控可視流變儀FLUIDICAM

Fluidicam微流控可視流變儀被設計用于測試各種稠度樣品的粘度，包括液體、凝膠或半固體乳液。當樣品和參比樣在芯片通道中高速流動時，獲取微型芯片中兩相不相容液體的界面位置，從而計算被測樣品的剪切速率和粘度。芯片上狹窄的通道，賦予儀器高的剪切速率范圍、樣品體積量小，溫度調節迅速的優點。