رئولوژی و شیمی سطح (2)

اثرات دمایی

ویسکوزیته تا حدی زیادی بوسیله ی دما تحت تأثیر قرار می گیرد. اندازه گیری ها باید در دمای یکسان (23 درجه ی سانتیگراد) انجام شود. بدون اشاره به دمای اندازه گیری، بیان ویسکوزیته، ناکافی است.
اگر چه هر مایع تحت تأثیر تغییرات دمایی است، تغییر بر واحد درجه برای یک ماده ی خاص، ثابت است. هدف اثرات دمایی، به صورت تئوری پوشش دهی می شود. این مسئله کافی است که بگوییم یک ویسکوزیته ی پوشش، ممکن است با حرارت دهی کاهش یابد، اصلی که برای بسیاری از سیستم های کاربردی پوشش استفاده می شود.
کاهش در ویسکوزیته با حرارت دهی، ممکن است بعد از اینکه ماده اعمال شود، مفید می باشد. پیش گرم کردن پوشش با استفاده از اشعه ی فرابنفش، نیز دارای مزیت ها و کاربردهای ویژه ای می باشد.

اثرات حلال

جامدهای رزینی، دارای ویسکوزیته ی محلول بالاتری هستند، این در حالی است که افزودن حلال موجب کاهش در ویسکوزیته می شود. این مهم است که توجه کنید که تغییرات ویسکوزیته، در مورد رزین های محلول نسبت به رزین های نامحلول، بیشتر است. برای مثال، اگر چه یک پوشش ممکن است در حالتی که 50 % جامد دارد، ویسکوزیته ی بالایی داشته باشد، یک سوسپانسیون متفاوت می تواند میزان ویسکوزیته را تا حد زیادی تغییر دهد.

اندازه گیری ویسکوزیته

روش های اندازه زیادی وجود دارد. یک رئومتر در واقع قادر ست تا ویسکوزیته ی را در گستره ی تنش های برشی مختلف، بدست آورد. یک دستگاه ساده تر همچنین در صنعت دکوراسیون پلاستیک ها، استفاده می شود. همانگونه که قبلا گفته شد، شاید متداول ترین وسیله برای اندازه گیری ویسکوزیته، ویسکومتر بروکفیلد است که در آن یک موتور الکتریکی به همراه یک بخش دوکی شکل، حرکت می کند. این بخش دوکی شکل، در داخل مایع حرکت کرده و می توان بوسیله ی آن، ویسکوزیته ی مایع را تعیین کرد. در مورد ویسکوزیته های بالاتر، می توان از کشش سنج، استفاده کرد. بخش های دوکی شکل با اندازه ی مختلف موجود می باشد و می تواند سرعت چرخش را نیز قبل تعیین کرد. ویسکوزیته باید با توجه به اندازه ی بخش دوکی شکل و سرعت چرخش و دما، گزارش داده شود (جدول 1).
ابزار بروکفیلد، وسیله ی خوبی برای اندازه گیری کیفیت می باشد. اگر چه این وسیله جایگزین رئومتر نیست، اما می توان از آن برای تخمین تغییر ویسکوزیته با تغییر میزان تنش برشی، استفاده کرد. قرائت های مربوط به ویسکوزیته در سرعت های چرخش مختلف اندازه گیری و مورد مقایسه قرار می گیرد. یک ماده ی با تیکسوترپی بالا، به سهولت با استفاده از این روش، تشخیص داده می شود.
یک وسیله ی ساده تر برای اندازه گیری ویسکوزیته، در واقع فلوکاپ است. این وسیله یک محفظه ی دارای یک سوراخ ریز می باشد که این سوراخ در کف آن قرار دارد. در واقع دو نوع از این فلوکاپ ها، که فورد کاپ و زان کاپ (Zahn cup) نامیده می شوند، به طور گسترده در صنعت پلاستیک و رنگ، مورد استفاده قرار می گیرد. فورد کاپ دارای دقت بالاتری است و بر روی پایه قرار داده می شود. وقتی محفظه ی این فوردکاپ پر شود، حفره ی زیرین باز می شود و اجازه داده می شود تا سیال جریان یابد. در این حالت، میزان جریان یافتن سیال بر اساس زمان، اندازه گیری می شود. برخلاف بروکفیلد که در آن، مقادیری در واحد سانتی پواز، بدست می آید، این وسیله در واقع تنها زمان جاری شدن را ارائه می دهد. زمان های جریان یافتن نسبی می تواند نشاندهنده ی مقادیر مختلف از ویسکوزیته باشد. یک جدول که با استفاده از کارهای محققی با نام فورد انجام شده است، می تواند مقادیر مربوط به زمان جاری شدن را به ویسکوزیته در واحد سانتی پواز، تبدیل کند.
زان کاپ نیز به سادگی با مایع پر می شود و زمان خالی شدن آن، مشابه با فورد کاپ، اندازه گیری می شود. این نوع از وسایل اندازه گیری ویسکوزیته، معمولا در خط تولید و برای بررسی کلی ویسکوزیته، استفاده می شوند.

مقادیر نهایی (Yield Value)

مقدار نهایی در واقع میزان تنش برشی در اندازه گیری ویسکوزیته می باشد. مقدار نهایی، در واقع مقدار مینیمم تنش برشی است که بر مایع اعمال شده و موجب جریان یافتن مایع می شود. وقتی نیروی اعمالی به طور تدریجی اعمال می شود، یک مایع متحمل تغییر شکل بدون جریان یافتن می شود. برای مثال، این مایع به گونه ای رفتار می کند که انگار یک جامد الاستیک است. در زیر مقادیر مربوط به مقدار نهایی، ویسکوزیته به سمت بی نهایت حرکت می کند. در نیروی اعمالی بحرانی، جریان یافتن رخ می دهد.
مقدار نهایی برای آگاهی یافتن از رفتار مایع های دکوراسیونی بعد از رسوب دهی بر روی زیرلایه، مهم می باشد. تنش برشی که در واقع در پوشش رسوب داده شده و یا جوهر، عمل می کند، بسیار پایین است. اگر چه نیروی جاذبه موجب می شود تا به مایع نیرو اعمال شود، کشش سطحی از این نیرو، مهم تر است.
اگر مقدار نهایی بزرگتر از مقدار تنش برشی باشد، جریان ایجاد نمی شود. این مایع در واقع به صورتی عمل می کند که انگار یک جامد است. در این وضعیت، چیزی که شما رسوب دهی می کنید، چیزی است که بدست می آورید. پوشش هایی که از مسطح شدن، فرار میکند، حتی اگر دارای ویسکوزیته ی ظاهری پایینی باشند، احتمالا دارای مقدار نهایی بالایی هستند. در واقع نیروهای کشش سطحی، اگر چه قابل تغییر می باشند، نمی توانند به اندازه ی کافی تغییر کرده و بتوانند بر مقدار نهایی، غلبه کنند. بدبختانه، یک میزان از مقدار نهایی بالا، ممکن است یک خاصیت ذاتی مربوط به مواد دکواسیونی، باشد. تحت این شرایط، تغییر در روش استفاده از ماده، ممکن است تنها راه چاره باشد.
اگر چه یک مقدار نهایی بالا، ممکن است منجر به عدم کارایی پوشش شود، این خاصیت در واقع برای جوهرهای چاپ، مناسب می باشد. مقدار نهایی بسیار پایین، می تواند به جوهر اجازه دهد تا جاری شود و موجب شود تا لبه های بخش های چاپ، ناصاف باشد. یک جوهر با مقدار نهایی بالا، ممکن است به سختی جریان یابد. به دلیل اینکه پیگمنت ها، تمایل دارند تا مقدار نهایی را افزایش دهند، جوهرهای رنگی، مسئله ساز نمی شوند. جوهرهای محافظ تمیزی (Clear protective inks) می توانند مسئله ساز باشند مخصوصاً وقتی یک فیلم نازک از این جوهرها، رسوب داده شوند. وقتی افزایش مقدار نهایی، قابل انجام نباشد، ترشوندگی می تواند برخی اوقات، مطلوب باشد و بتواند کشش سطحی را اصلاح کند. افزایش در کشش سطحی موجب می شود تا جریان یافتن سیال سخت شود و از این رو، جوهر یا پوشش می تواند جاری شود.

شیمی سطح

شیمی سطح علمی است که درگیر برهمکنش های سطحی دو ماده می باشد. سطح مشترک ممکن است بین هر دو ماده ای ایجاد شود. این مسئله حتی در مورد سطح هایی که در برابر هوا قرار می گیرند، نیز صدق می کند. به منظور یادگیری برهمکنش های سطحی مربوط به مایعات دکوراسیونی، ما نیازمند تجزیه و تحلیل در مورد برهمکنش های مایع- جامد هستیم. اگر چه یک برهمکنش سطحی میان یک پوشش مایع و هوای اطراف آن، مشاهده می شود، اثر آن کوچک بوده و از این رو، قابل اغماض است.

کشش سطحی

تمام مایع ها، از ترکیبی از اتم هایی و مولکول ها تشکیل شده اند. تمام مولکول هایی که به همدیگر نزدیک هستند، بر روی هم نیرو ایجاد می کنند. این یک برهمکنش دوجانبه است که موجب بوجود آمدن کشش سطحی می شود. واحد کشش سطحی در واقع نیرو بر واحد طول یا دین بر سانتیمتر می باشد.
یک قطره از مایع که در فضا پراکنده شود، به سرعت به صورت کره ای در می آید. وقتی مولکول های سطحی به سمت همدیگر کشیده می شوند، یک مساحت سطحی مینیمم ایجاد می شود. در این حالت، قطره به صورت کروی در می آید. شکل کره ای، موجب ایجاد یک توزیع یکنواخت از نیروها، می شود. تمام مایعات تلاش می کنند تا به صورت شکلی کروی در آیند. این نوع از برهمکنش ها، به طور نمونه وار، در دکوراسیون پلاستیک ها، مهم می باشد.

اندازه گیری کشش سطحی

هر مایعی دارای یک کشش سطحی خاص خود است. مایع های دارای کشش سطحی بالا مانند آب، دارای جذب بین مولکولی بالایی هستند و تمایل زیادی به کروی شدن دارند. مایع های دارای کشش سطحی پایین، دارای تمایل اندکی در زمینه ی تشکیل کره دارند.
یک سری از روش ها، برای اندازه گیری کشش سطحی وجود دارد. جدول 2 مقادیر مربوط به کشش سطحی برخی حلال ها را نشان می دهد. همچنین روش هایی برای تعیین کشش سطحی جامدها، وجود دارد که معمولاً به این کشش سطحی در جامدها، انرژی سطحی می گویند. جدول 3 انرژی سطحی مربوط به پلاستیک ها، را نشان می دهد. ما نیازمند این هستیم که تنها راه هایی را بدانیم که بوسیله ی آنها کشش سطحی تخمین زده می شود و همچنین با چه روش هایی می توان این کشش سطحی را مقایسه کرد.

ترشوندگی

وقتی یک مایع بر روی یک سطح مسطح قرار داده می شود، سطح جامد افقی می تواند تر شود و مایع جریان یابد و یا می تواند تر نشود و یک کره از مایع بر روی سطح ایجاد شود. یک حالت بینابین نیز ممکن است بوجود آید. زاویه ای که قطره یا لبه ی مایع با صفحه ی جامد ایجاد می کند، زاویه ی تماس نامیده می شود (شکل 1).
یک شرایط عدم ترشوندگی در زمانی ایجاد می شود که زاویه ی تماس از صفر بیشتر شود. مقدار کشش سطحی مایع معمولاً بزرگتر از انرژی سطحی جامد است. شرایط ترشوندگی، وقتی ایجاد می شود که زاویه ی تماس، صفر باشد. زاویه ی مایع با سطح جامد، به طور پیوسته بیشتر می شود، حتی اگر نرخ این زیاد شدن، برای مواد با ویسکوزیته ی بالا، آهسته باشد.
جاذبه ی بین مولکولی در این مورد بیشتر است. انرژی سطحی جامدها، بیشتر از کشش سطحی مایعات است.
اندازه گیری زاویه ی تماس یک روش ساده برای تعیین تفاوت نسبی کشش سطحی دو سطح، نیست. تفاوت بزرگتر در زاویه ی تماس بالا، نشاندهنده ی تفاوت بیشتر در انرژی سطحی است، در حالی که زاویه ی تماس کوچکتر، نشاندهنده ی نزدیکی بیشتر این مقادیر می باشد.
با گذاشتن قطره بر روی سطح صاف، می توان زاویه ی تماس و در نتیجه، کشش سطحی را تعیین کرد. به طور عکس، انرژی سطحی یک جامد، ممکن است با قرارگیری قطرات بر روی سطح مشخص، تعیین شود. جدول 4 فرمول های مربوطه را نشان می دهد.
سطوح با انرژی پایین، به سختی تر می شوند و در پوشش دهی، مشکلاتی ایجاد می کنند. روش کشش سطحی کیت، ممکن است برای تخمین انرژی سطحی یک پلاستیک، مورد استفاده قرار گیرد. اگر یک پلاستیک خاص، مقدار بسیار کمتری نسبت به مقادیر بیان شده در جدول 3 داشته باشد، ممکن است سطح آلوده باشد. عوامل رهاسازی قالب، می توانند موجب افت انرژی سطحی مربوط به قطعات پلاستیکی شود و قابلیت پوشش کاری آنها را کاهش دهد.

سورفکتانت

عواملی که موجب تغییر برهمکنش های سطحی می شوند، سورفکتانت گفته می شود. سورفکتانت ها، دارای دو گروه شیمیایی مختلف هستند، یکی سازگار با مایعی که می خواهیم سطح آن را اصلاح کنیم و دیگری گروه که منجر به کشش سطحی پایینی می شود. برای مثال، کشش سطحی یک اپوکسی ممکن است با افزودن یک سورفکتانت حاوی گروه الکل در یک انتها و گروه فلئور در سمت دیگر، کاهش یابد. گروه الکلی به رزین اپوکسی می چسبد و گروه فلئور، عامل کاهنده می باشد. افزودن مقادیراندک از سورفکتانت، از مشکلات ترشوندگی پوشش اپوکسی، جلوگیری می کند، حتی در صورتی که پلاستیک دارای آلودگی سطحی باشد.
سورفکتانت به طور مؤثر می تواند کشش سطحی جوهر، پوشش و رنگ ها را کاهش دهد. به طور نمونه وار، 1 % از این ماده و حتی مقادیر کمتر ، مؤثر می باشد. وقتی عدم ترشوندگی به دلیل انرژی سطحی پایین زیرلایه، ایجاد شود، سورفکتانت در واقع همان عامل ترشوندگی است. این مواد جایگزین خوبی برای آماده سازی کاغذ و ظروف آشپزخانه نیست. در واقع این آلودگی ها، موجب جداشدن این پوشش ها در آینده می شود.
مواد شیمیایی فلئوردار، سیلکون ها و هیدروکربن ها، گروه های متداول از مواد سورفکتانت، تلقی می شوند. مواد شیمیایی فلئور دار، دارای پایین ترین کشش سطحی هستند و عوامل مؤثر در مورد ترشوندگی، محسوب می شوند. سیلیکون ها، در داقع ارزان قیمت ترین سورفکتانت های مورد استفاده می باشد. انواع خاصی از سلیکون ها، می تواند در هوا بسوزند، این مسئله موجب آلوده شدن محیط زیست می شود.
اگر چه این مواد موجب کاهش کشش سطحی پوشش می شوند، این مواد می توانند برای زیرلایه، به طور عکس، عمل کنند. پوشش ها، رنگ ها و جوهرها، وقتی با سورفکتانت ها، اصلاح می شوند، معمولاً به صورت دائمی اصلاح می شود. انرژی سطحی پایین این مواد موجب می شوند تا این مواد به سختی تر شوند. برای مثال اگر این مسئله رخ دهد، این ضرویر است که از یک پوشش بالایی استفاده شود. چندین گزینه برای فایق آمدن بر این مشکل، وجود دارد. بهترین گزینه، در واقع استفاده از مقادیر اندکی سورفکتانت به منظور انجام این کار می باشد. در این کار، می توان از گروه هیدروکربنی شروع کرد.
یکی دیگر از کارهایی که می توان انجام داد، استفادهل از سورفکتانت های فعال می باشد. در واقع، این عوامل، دارای یک گروه عاملی هستند که می توناد با پوشش واکنش دهد و بعد از عمل اوری، فعالیت آن کاهش می یابد. وقتی این سورفکتانت نقش عامل ترشونده داشته باشد، در واقع دیگر نیازی به استفاده از سورفکتانت نیست. یک روش دیگر، افزودن سورفکتانت به یک ماده ی ثانویه می باشد.

منبع مقاله :
Coating technology handbook/ Arthur A. Tracton