涂料流变学性能_实用化的流变学

涂料流变学性能——实用化的流变学

刘金刚

（中国制浆造纸研究院 １０００２０）

摘 要：文章对涂料流变性能的基本类型、涂料流变性能的基本要求、涂料组分的流变性能作了论述，通过现有仪器的流变性能的测定，预测或模拟实际涂布的运行情况，完善涂料的流变性能，改进涂布运转性。

关键词：流变学 涂料 剪切速率 流变仪 流变性能

１　前言

在实际生产中，许多涂布运转性问题如涂布量难以控制、刮刀压力大、刮刀痕、刮刀涂料析出（翻料）等都可能是涂料流变性能不佳所致。流变性能直接与涂料的涂布运转性相关联，并间接影响到涂布纸性能。流变性能是涂料的一项重要性能，通过调整流变性能可以解决很多实际问题，但并不能把流变性能理解为一项单纯的性能指标。虽然流变性能经常被提及，但由于晦涩难懂难以实用化。流变学是研究流变性能的科学，简化流变学理论并从中提炼出有价值的结果用于指导实践将是很有意义的。

２　流变学定义

流变学是研究物质变形和流动规律的科学。流变实际上是一个内涵更为广泛的术语，它不仅包括粘度，而且包括粘弹性和塑性。当仅讨论流体流动规律时，可以近似地用粘度来理解流变学。

３　涂料流变性能的基本类型

按大类可以把流体分为牛顿型和非牛顿型。非牛顿型流体又分为剪切速率依存型和时间依存型。剪切速率依存型是指流体的流动行为随剪切速率的变化而变化，包括假塑型、胀流型和塑型。时间依存型是指一定剪切速率下流体随时间而变化的流动特性，包括触变型和震凝型。实际中的造纸涂料都是非牛顿型的。涂料很难明确地分为剪切速率依存型和时间依存型，但偏重程度是有判别的。剪切速率依存型和时间依存型流体的流动行为如图１～２所示。

４　涂料流变性能的基本要求

理想的涂料为带有一定触变性的假塑性即剪切稀化或粘度降低的流体，实际的流变性能是上述基本类型的组合。涂料的运转性不仅指涂布机运转性，还涵盖了全范围涂布工艺过程。涂料的流变性能要满足全方位包括泵送、过筛、上料、计量、回流和流平等工艺的要求。正如图３所示，最佳的涂料性能应是一种平衡的结果。如果涂料的流变性能达不到要求将会产生运转性障碍：

◆全剪切速率范围内的低粘度将引起保水问题；

◆低剪切速率下的高粘度将会产生泵送和启动障碍；

◆高剪切速率下的高粘度将产生过筛和上料障碍；

◆超高剪切速率下的高粘度将会引起：刮刀涂料析出和刮痕、涂布量控制困难和纸幅断头；

◆超高剪切速率下的低粘度将会产生不均匀

的涂布量分布。

图

１　剪切速率依存型流变性能改善流变性能的重要性在于好的流变性能可

能带来：

◆　更高的涂布车速、可获得降低涂布量的

可能性和降低刮刀负荷坏的流变性能可能带来：

◆刮刀涂料析出、条痕、不均匀的涂布量分

布、刮刀痕和高的刮刀负荷

改善流变性能不仅稳定生产过程而且可以获

得经济利益，一个具体的实例如图４所示。

实践中，国内经常采用粘浓度作为评价颜料

流变性能，并以此预测涂料流变性能。粘浓度是

图４　改善流变性能获得效益的实例

指颜料泥浆粘度达到５００ｍＰａ．ｓ时对应的固含量。

作为流变性能上的考虑，粘浓度越高越好。粘浓

度并不是流变性能的良好指标。从测量方法上

看，粘浓度仅适合于常规瓷土，而对于重钙，难

以稳定地测定，而对于煅烧土和某些剥片土则不

适用；另一方面，粘浓度不能预测高剪切粘度，

例如美国Ｎｏ．１土（小于２μｍ占９６～１００％）比Ｎｏ．１

土（小于２μｍ占９２～９４％）的低剪切粘度大，但

它们的高剪切粘度则正好相反，再如有的报告给

出煅烧土的粘度有时可达到６８％左右，但这种泥

浆是无法制备的，因为这一固含量的泥浆显示出

明显的胀流性，即高剪切粘度高。

５　典型涂布工艺的剪切速率范围

通常可以把剪切速率范围分成三类：

◆低～中等剪切速率（０．１～１０００Ｓ－１）—典

型工艺为泵送和涂料制备，其特点是剪切作用时

间长，从几秒到几十分钟；

◆高剪切速率（１０００～１００　０００Ｓ－１）—典型

工艺为过筛、上料和刮棒、气刀涂布，其特点是

剪切作用时间短，可达几毫秒；◆超高剪切速率（１００　０００～２　０００　０００Ｓ－１）—典型工艺为纸上涂料经刮刀计量的瞬间，其特点是剪切作用时间极短，可达几微秒。不同工艺过程的剪切速率范围如图５所示。刮刀涂布机剪切速率的估算值如图６所示。６　测定流变性能的仪器——流变仪最常见的流变仪是控制转速（剪切速率）测

图５　典型涂布工艺的剪切速率范围

图

６　实际生产中剪切速率的估算

定扭矩（应力）。下面介绍三种典型的流变仪：

◆　Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ粘度计—价格便宜、使用方

便、可提供低剪切粘度，但剪切速率不确定、仅

能单点测定、不能预测高剪切粘度，适合于生产

稳定时的日常监控；

◆　Ｈｅｒｃｕｌｅｓ粘度计—剪切速率精确、可提

供完整的流变图及高剪切粘度，但对较低剪切速

率下的测定不敏感、有时只能提供定性信息而不

是定量的结果，适合于预测中到高剪切速率涂布

过程中的流变性能；

◆毛细管粘度计—剪切速率明确、可提供极

高剪切速率下的粘度，但需多次测定进行矫正，

适合于模拟高速涂布过程。

各种流变仪的剪切速率范围如图７所示。显

然每一种流变仪都有一定的剪切速率范围。把几

种流变仪的测定结果综合起来才能满足预测大部

分涂布工艺过程的要求。用上述方法给出三种实

测宽剪切速率范围内的涂料流变性能，结果如图

８～１０所示。７　涂料组分的流变性能除水之外，涂料有三大组分构成，即颜料、胶粘剂和各种助剂。下面分别讨论涂料各种组分的流变性能及其对涂料流变性能的影响。（１）颜料

无论按重量还是体积，颜料都是涂料中的最

大组分，对涂料流变性能有举足轻重的影响。影