رئولوژی و شیمی سطح (1)

مقدمه

یک آگاهی اساسی در مورد رئولوژی و شیمی سطح که در واقع دو علم پایه ای محسوب می شوند، برای آگاهی یافتن از فرانیدهای پوشش دهی و ایجاد لایه بر روی مواد مختلف، ضروری می باشد. در واقع بررسی های کمی بر روی سطح منجر می شود تا آگاهی مناسبی در مورد استفاده و روش شاعمال پوشش ها و جوهرها فراهم آید و بدین وسیله، مسائل مربوط به استفاده از این مواد، حل شود.
در واقع رئولوژی به طور عمومی، به معنای مطالعه ی رفتار تمام مواد در زمانی است که تحت تنش قرار می گیرند. 4 گروه عمومی از این رفتارها، شناسایی شده است. رفتار الاستیسیته، پلاستیسیته، صلب و ویسکوز. دغدغه ی ما در اینجا، در مورد مایعات و خمیرها می باشد. در واقع رویه ی رئولوژی شامل تغییر در شکل مایعاتی است که تحت نیروی فیزیکی قرار گرفته اند. ویسکوزیته یک خاصیت رئولوژیکی کلیدی در پوشش و جوهرها، تلقی می شود. ویسکوزیته، در واقع مقاومت یک جوهر یا مایع نسبت به جریان یافتن می باشد. این ویسکوزیته با نسبت تنش برشی به نرخ برش، تعریف می شود.
در کل فرایندهای پوشش دهی و چاپ، نیروی های مکانیکی مختلف در مقادیر مختلف اعمال می شوند. مقدار نیروی برشی به طور مستقیم بر روی مقدار ویسکوزیته ی ماده اثر دارد. این مسئله در واقع برای سیال های غیر نیوتنی، صدق می کند. بیشتر پوشش ها، در زمان مخلوط شدن و یا عبور از نازل ها، متحمل پدیده ی " نازک شدن در حین اعمال تنش برشی" (shear thinning) می شوند. جوهرهای سنگین نیز مستعد " نازک شدن در حین اعمال تنش برشی" هستند. وقتی نرخ برشی افزایش می یابد، ویسکوزیته افت می کند. این مسئله در برخی موارد، به صورت قابل توجهی انجام می شود.
این مسئله به نظر ساده می رسد به جز دو اثر دیگر. یکی از این اثرات نقطه ی تسلیم (yield point) نامیده می شود. سس کچاپ وقتی به آن نیروی اندکی اعمال می کنید، جریان می یابد. سپس این ماده اغلب به صورت آزادانه جریان می یابد. وقتی از نقطه ی تسلیم عبور کنیم، ماده ی شبه جامد، تغییر رفتار می دهد. ساختار شبکه ای سست موجود در این مواد، در این حالت، شکسته می شود. جوهرها همچنین خاصیت نقطه ی تسلیم را دارند اما تا حدی کمتر. نقطه ی تسلیم، یکی از ویژگی های مهم برای جوهرها، تلقی می شود.
مقدار تسلیم، نیز یک مورد مهم است اما اغلب این مسئله فراموش می شود که این مقدار مربوط به مایعات است. ما باید رئولوژی را به عنوان یک متغیر دینامیکی در نظر بگیریم و بررسی کنیم که چگونه این تغییر موجب می شود تا کل فرایند پوشش دهی، تغییر کند. برهمکنش های دوجانبه ای که به موجب آنها، فرایند پوشش دهی با تغییر در ویسکوزیته و رئولوژی، مواجه هستند، یکی از مفاهیم کلیدی مربوط به تکنولوژی پوشش دهی محسوب می شود.
فاکتور دوم، وابستگی به زمان است. برخی جوهرها، ویسکوزیته ی خود ر در طی زمان تغییر می دهند. این مسئله حتی در زمانی که یک نرخ برشی ثابت بر روی آنها اعمال شود نیز ایجاد می شود. این بدین معناست که ویسکوزیته می تواند به میزان نیروی اعمالی و طول زمان، وابسته باشد. وقتی نیروی برشی حذف می شود، جوهر دوباره به ویسکوزیته ی اولیه، باز می گردد. نرخ بازگشت ویسکوزیته نیز یکی دیگر از خواص کلیدی مربوط به جوهر می باشد. این زمان می تواند از چند ثانیه تا چند ساعت باشد.
رئولوژی در واقع یک مسئله ی بسیار متفاوت نسبت به نرخ برش منفرد است که اغلب بوسیله ی فروشندگاه جوهر، گزارش داده می شود. رئولوژی در واقع درگیر تغییر در ویسکوزیته در سطوح مختلف نیروی اعمال شده، تغییر دمایی و تغییر میزان حلال و ناخالصی ها، می باشد. قرائت های مربوط به ویسکومتر بروکفیلد، اگر چه ارزشمند است اما در واقع تصویر واقعی از رفتار سیال های غیر نیوتنی، ارائه نمی دهد.
شیمی سطح در واقع توصیف کننده ی پدیده های ترشوندگی و عدم ترشوندگی است که نتیجه ای از جذب دوجانبه ی مولکول های جوهر و سطح و برهمکنش های داخلی مولکول های جوهر با همدیگر، می باشد. تعریف چاپ خوب، چسبندگی و سطح صاف جوهر، موجب می شود تا شیمی سطح، به خوبی تعریف شود. تشکیل حباب و مشکلات مربوطه در هنگام ایجاد پوشش ها نیز اساس خاص خود را در شیمی سطح دارد.
در این مقاله هدف ما از بیان اطلاعات در مورد شیمی سطح، در واقع مطرح نمودن مسائل مربوط به نیروی جاذبه ی مولکولی است. این نیروها، هم در بین مولکول های جوهر و هم مولکول های جوهر و زیرلایه، وجود دارد. ما بر روی پدیده ی ترشوندگی و مسائل و موارد مربوط به آن، تمرکز خواهیم کرد. این مشاهده شده است که ترشوندگی و عدم ترشوندگی، اثرات قابل توجهی بر روی پوشش دهی و چاپ دارند.
دو علم رئولوژی و کشش سطحی به همراه همدیگر، ابزارهایی را مهیا نموده اند که بوسیله ی آنها می تواند به تکنولوژی پوشش دهی پیچیده دست یافت. این ضروری است که رئولوژی و شیمی سطحی را ترکیب کنیم تا بتوانیم آگاهی بهتری در مورد جوهرها و فرایند چاپ سیلک، بدست آوریم. ما این ترکیب کردن را به شیوه ای قدرتمند و توانمند، پوشش دهی خواهیم کرد. یک مزیت که ما خواهیم شناخت، در واقع مشکلات مربوط به پوشش دهی و چاپ است که اغلب به دلیل رئولوژی و شیمی سطح، ایجاد می شوند. ما همچنین بخش های مربوط به پوشش دهی را که تحت تأثیر رئولوژی و شیمی سطحی می باشد را مورد بررسی خواهیم قرار داد.

رئولوژی

رئولوژی در واقع علم سیلان و تغییر شکل است. در واقع این علم، برای آگاهی یافتن ما از کاربرد پوشش ها و کیفیت پوشش های حاصله، مهم می باشد. ویسکوزیته که در واقع مقاومت در برابر جاری شدن است، مهم ترین ویژگی رئولوژیکی مربوط به سیال هاست و بنابراین، بر روی خواص پوشش ها و چاپ، اثرگذار است. سیال های نیوتنی مانند حلال ها، دارای ویسکوزیته ی مطلقی هستند که با اعمال تنش های برشی، تغییر نخواهند کرد. ما به ویسکوزیته ی ظاهری پوشش و جوهر توجه خواهیم کرد و کشف خواهیم کرد که چگونه این تغییرات القا شده به دلیل اعمال نیرو در طی فرایند تولید، برای برخی بخش ها، ضروری می باشند.
ویسکوزیته که در واقع مقاومت سیال در برابر جریان یافتن است، یک ویژگی کلیدی است که توصیف کننده ی رفتار سیالاتی است که تحت یک چنین نیروهای ترکیبی قرار می گیرد. سایر نیروهای مهم نیز عبارتند از: نیروی وزن، کشش سطحی و نیروی برشی ایجاد شده بر روی این مواد. ویسکوزیته به سادگی در واقع به عنوان نسبت تنش برشی به نرخ برشی، تعریف می شود. یک سیال با ویسکوزیته ی بالا، نیازمند نیروی بیشتری برای تغییر شکل در آنها، هستند. برای مثال، پوشش های با ویسکوزیته ی بالا به سهولت پمپ نمی شوند زیرا ویسکوزیته ی بالایی دارند. پوشش های با ویسکوزیته ی بالا همچنین نیازمند زمان بیشتری برای سیلان، هستند.
ویسکوزیته (η)= تنش برشی / نرخ تنش برشی
همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، تنش برشی که در واقع نیرو بر واحد سطح مایع می باشد، به طور نمونه وار بر اساس دین (dynes) بر سانتیمتر مربع، بدست می آید. در واقع همان نیرو بر واحد سطح می باشد. نرخ برشی با معکوس زمان، در ارتباط است و با در نظر گرفتن واحد مقدار انرژی مکانیکی اعمال شده بر مایع، واحد ویسکوزیته بر اساس دین- ثانیه بر واجد سانتیمتر مربع، محاسبه می شود. این واحد پواز (P) نامیده می شود. برای سیال هایی با ویسکوزیته ی پایین مانند آب، واحد پواز کوچکتر شده و به سانتی پواز تبدیل می شود. هر سانتی پواز، 0.01 پواز است. جوهرهای مورد استفاده در چاپ با سیلک، ویسکوزیته ی بسیار بزرگتری دارند و ویسکوزیته ی این رنگ ها برای رنگ های گرافیکی، در گستره ی 1000 تا 10000 سانتی پواز و برای جوهرهای ساخته شده از لایه ی نازک پلیمری (PTF)، در حدود 50000 سانتی پواز است. مقادیر ویسکوزیته ی مربوط به برخی مواد در جدول 1 آورده شده است.
ویسکوزیته یک مفهوم واقعا ساده است. در واقع مایع های نازک یا با ویسکوزیته ی پایین، به سهولت جریان می یابند، در حالی که مایع های با ویسکوزیته ی بالا، در برابر جریان یافتن، مقاوم هستند. سیال های نیوتنی یا ایده آل، این ویژگی ها را دارا می باشند. در مورد سیال های نیوتنی، ویسکوزیته در طی ناحیه ی برش، ثابت است. تعداد اندکی از سیال ها، نیوتنی واقعی هستند. بیشتر این سیال ها، در هنگام اعمال نیرو به آنها، افت ویسکوزیته دارند. این پدیده، به عنوان "نازک شدن در حین برش" (shear thinning) نامیده می شود. بنابراین، این ضروری است که شرایطی را در نظر بگیریم که حت آن، مقدار ویسکوزیته، اندازه گیری شده است. زمان باید همچنین علاوه بر تنش برشی، در نظر گرفته شود. یک مایع می تواند بوسیله ی زمانی تحت تأثیر قرار گیرد که نیرو به آن اعمال شده است. یک مایع نازک شونده حین برش، تمایل دارد تا در طی زمان، به ویسکوزیته ی اولیه ی خود، برسد. بنابراین، زمان انجام یک عمل برشی، باید در نظر گرفته شود.
این به نظر می رسد که ما در واقع با یک نمودار ویسکوزیته مواجه هستیم که یک نقطه ی ثابت نیست. ضرورت بررسی نمودارهای ویسکوزیته، در وسایل دکوراسیونی پلاستیکی، نمود بیشتری دارد. یک ماده ی خاص، می تواند متحمل نیروهای برشی قابل توجهی شود. برای مثال، یک پوشش ممکن است با یک سرعت برشی نسبتا پایین (مثلا 10 تا 20 سانتی پواز)، با هم مخلوط شود. از طریق یک تفنگ اسپری و با سرعت 1000 سانتی پواز، پرتاب شود و از میان سوراخ های تفنگ با ویسکوزیته ی 10000000 سانتی پواز، خارج شود. در نهایت این مایع به آهستگی بر روی زیرلایه و به دلیل وجود نیروی وزن خودش، جریان می یابد. این احتمال نیز وجود دارد که این ماده دارای ویسکوزیته ی متفاوت تری در هر مرحله باشد. در حقیقت، این محصول در تحت شرایط مختلف تولید، ویسکوزیته ی متفاوتی دارد.

انواع رفتار ویسکوز

پلاستیسیته

از لحاظ رئولوژیک، سیال پلاستیک مشابه جامدهای پلاستیکی عمل می کنند تا زمانی که یک نیروی مینیمم مشخص، برای فایق آمدن بر نقطه ی تسلیم، بر این سیال اعمال شود. ژل ها، سل ها و سس کچاب، مثال های جالب توجه از این سیال ها می باشند. وقتی این مواد به نقطه ی تسلیم برسند، این مایع ها به رفتار نیوتنی نزدیک می شوند. علت این مسئله در واقع افزایش نرخ برشی می باشد.
شکل 1 نمودار تنش برشی- نرخ تنش می باشد و نشاندهنده ی نقطه ی تسلیم می باشد. اگر چه رفتار پلاستیک جزء رفتارهای سوال برانگیز سس کچاب است، این ویژگی در برخی از رنگ ها و جوهرها، مزیت محسوب می شود. در واقع، این پدیده ی نقطه ی تسلیم است که موجب می شود یک رنگ ایجاد شود. رنگ های غیر قطره ای، مثال هایی خوبی از استفاده از نقطه ی تسلیم می باشد. بعد از اینکه فرچه برمی گردد، ویسکوزیته ی رنگ افزایش می یابد تا جایی که جریان متوقف شود. در این حالت، از چکه کردن رنگ جلوگیری می شود زیرا نقطه ی تسلیم به حد نیروی گرانش می رسد.
جوهر موجود در جوهرهای چاپ شده، تمایل به جاری شدن در خارج از مرزهای چاپ را دارند و این مسئله در واقع بوسیله ی نقطه ی تسلیم، کنترل می شود. جوهرهای با نقطه ی تسلیم بالا تراوش نمی کنند اما جریان یافتن آنها به سمت خارج، سری های چاپ، سخت است. یک نقطه ی تسلیم بسیار پایین، منجر به ایجاد جریان های مناسب از مایع می شود اما تراوش این نوع رنگ ها، ممکن است بیش از حد مورد نیاز باشد. هم بایندرهای پلیمری و هم فیلرها، می توانند برای پدیده ی نقطه ی تسلیم، در نظر گرفته شوند. در زمان سکون، زنجیره های پلیمری به صورت رندوم کنار هم قرار می گیرند و در برابر ایجاد جریان، مقاومت می کنند. استفاده از نیروی برشی موجب می شود تا زنجیره ها در جهت اعمال نیروی برشی، جهت گیری کنند و بدین وسیله، میزان مقاومت در برابر جریان، کاهش یابد. فیلرهای جامد می توانند ساختارهای مولکولی ضعیفی ایجاد کنند و تحت برش، به سرعت شکسته شوند.

شبه پلاستیسیته

مشابه با مواد دارای رفتار پلاستیک، مایع های شبه پلاستیک نیز وقتی بر آنها، نیرو اعمال شود، افت ویسکوزیته دارند. به هر حال، در اینجا، هیچ نقطه ی تسلیمی مشاهده نمی شود. وقتی انرژی بیشتر اعمال شود، این مواد نازک تر می شوند. وقتی نرخ برشی کاهش می یابد، ویسکوزیته در همان جهت اعمال نرخ، افزایش می یابد تا بدین صورت، نیرو، از بین رود. هیچ پسماندی وجود ندارد. در واقع نمودار تنش برشی- نرخ برشی، در هر دو جهت می باشد که در شکل 1 مشاهده می شود. شکل 2 رفتار شبه پلاستیک را با استفاده از نمودارهای ویسکوزیته- نرخ برشی، نشان می دهد.
بسیاری از پوشش ها، این رفتار را از خود نشان می دهند البته این مسئله به زمان وابسته است. یک زمان تأخیر نیز بعد از حذف نیرو، مشاهده می شود. این شکل از شبه پلاستیسیته، دارای یک حلقه ی پسماند است که تیکسوتروپی، نامیده می شود. شبه پلاستیسیته عموماً یک خاصیت مفید برای پوشش ها و جوهرها، تلقی می شود. به هر حال، تیکسوتروپی، نیز مفیدتر می باشد.

تیکسوتروپی

تیکسوتروپی در واقع یک مورد خاص از شبه پلاستیسیته است. موادی متحمل "نازک شدن حین برش" می شوند، اما وقتی نیروی برشی کاهش می یابد، ویسکوزیته در یک نرخ کمتر افزایش می یابد و بدین صورت، یک حلقه ی پسماند ایجاد می کند. تیکسوتروپی، یک ویژگی متداول و مفید می باشد. رنگ های خانگی دریپلس (Dripless house paints) دارای خاصیت دریپلس یا تیکسوتروپی است. رنگ وقتی بر روی قلموست، باید یک مقدار خاصیت ویسکوز داشته باشد. این رنگ به سرعت تحت تنش برشی مربوط به قلمو، گسترش می یابد. در واقع وقتی عمل کشیده شدن قلمو، به اتمام می رسد، ماده به ویسکوزیته ی قبلی بازگشته و رنگ موجود بر روی سطح دیگر، چکه نمی کند.
جوهرهای چاپ سیلک نیز از خاصیت تیکسوتروپی، بهره می برند. در واقع ویسکوزیته ی بالای قطرات جوهر مورد استفاده در این کاربرد، تحت اعمال تنش برشی بالا، افت می کند و بدین صورت، رنگ با اعمال فشار از حفرات توری چاپ، عبور می کند.
ویسکوزیته ی لحظه ای پایین به قطرات جوهر اجازه می دهد تا به صورت یک جامد در آیند و یک فیلم پیوسته تشکیل دهند. ویسکوزیته پیش از اینکه جوهر بتواند به خارج از مرزهای مورد نظر، برسد، به میزان بالاتری می رسد.
مواد تیکسوتروپ منجر به ایجاد حلقه های پسماند می شوند. تنش برشی منجر می شود تا ویسکوزیته به نقطه ای برسد که در آن نیروی بالاتری هیچ تغییری ایجاد نمی کند. وقتی انرژی ورودی به مایع کاهش می یابد، ویسکوزیته شروع به افزایش می دهد اما این افزایش آهسته تر از افت اولیه است. این ضروری نیست که در مورد شکل حلقه ی پسماند اطلاعاتی داشته باشیم، بلکه تنها کافی است که تشخیص دهیم یک چنین پاسخی در پوشش کاری با رنگ و جوهر مهم می باشد.
مواد موجود در یک وسیله ی دکوراسیونی که معمولاً محتوی پیگمنت، عوامل گسترش دهنده و سایر فیلرهای جامد، می باشد، موجب ایجاد رفتار تیکسوتروپی می شود. موادی همچون جوهر، اغلب موادی تیکسوتروپ می باشند. عوامل تیکسوتروپی که معمولاً دارای ساختار مسطح و یا صفحه ای هستند، می توانند به مایع اضافه شوند تا میزان تیکسوتروپی، تنظیم شود. یک ساختار با پیوند داخلی سست، در میان صفحات ایجاد می شود و این مسئله موجب افزایش ویسکوزیته می شود. تنش برشی موجب می شود تا این ساختار شکسته شده و بدین صورت، ویسکوزیته افت می کند.
نیروی برشی حاصل از اختلاط، به صورت موجب افت ویسکوزیته می شود. به هر حال، جوهرهای تیکسوتروپ در هنگام برخورد با نیروی برشی، حالت نازک شدن پیدا می کنند، حتی اگر تنش برشی در آنها، ثابت باشد. این مسئله می تواند با استفاده از ویسکومتر بروکفیلد، اندازه گیری شود. در این ویسکومترها، ویسکوزیته به طور پیوسته و در زمانی که ظرف مربوط به این ویسکومتر در داخل دوغاب می چرخد، اندازه گیری می شود. وقتی جوهر بی حرکت می شود، ویسکوزیته به مقدار قبلی خود باز می گردد. این مسئله می تواند آهسته تر و یا سریع تر رخ دهد. نمودارهای با اشکال مختلف در این حالت ایجاد می شود اما این نمودارها، همگی دارای حلقه ی پسماند هستند. در حقیقت، این نمودارهای پسماند برای تشخیص تیکسوتروپی، استفاده می شوند (شکل 3). نرخ تغییر ویسکوزیته، یکی از ویژگی های مهم مربوط به جوهرهاست که باید همواره مورد ارزیابی قرار گیرد. در واقع این آزمون باید در حین انجام فرایند چاپ سیلک، و به دقت انجام شود. تیکسوتروپی، برای ایجاد رفتار مناسب در جوهرها، مهم می باشد و تغییر در ویسکوزیته است که در واقع موجب می شود بتوان از روش چاپ سیلک، استفاده کرد.

دیلاتنسی (Dilatancy)

مایع هایی که با اعمال تنش بر آنها، ویسکوزیته شان افزایش می یابد، مواد دیلاتنسی نامیده می شوند. برخی از مایعات دارای این خاصیت می باشند. رفتار دیلاتنسی نباید با ایجاد حالت ویسکوز معمولی اشتباه گرفته شود. در واقع حالت ویسکوز معمولی، وقلتی ایجاد می شود که جوهر حلال خود را از دست می دهد. برای مثال، یک پوشش دارای حلال، بوسیله ی یک غلطک پوشش دهنده، ایجاد می شود. در واقع غلطک چرخنده، به عنوان یک عامل تبخیر کننده ی حلال، عمل می کند و موجب افزایش میزان جامد موجود در پوشش می شود و ویسکوزیته را افزایش می دهد. دیلاتنسی واقعی وقتی رخ می دهد که این ویسکوزیته مستقل از اتلاف حلال، تغییر می کند.

رئوپلکسی

این خاصیت بیشتر یک محدودیت محسوب می شود تا ویژگی. در واقع رئوپلکسی مخالف خاصیت تیکسوتروپی است. این ویژگی در واقع شکلی از دیلاتنسی است که به زمان وابسته می باشد. شکل 3 نشاندهنده ی این حلقه ی پسماند می باشد. رئوپلکسی به ندرت یافت می شود زیرا این ویژگی یک ویژگی نامطلوب در جوهرهای چاپ می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Coating technology handbook/ Arthur A. Tracton