CN111175190A - 一种使用旋转流变仪快速评价水性高分子材料流平流挂性能的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用旋转流变仪快速评价水性高分子材料流平流挂性能的测试方法。具体地，所述方法通过采用旋转流变仪可快速、直接、高效地测试和评价水性高分子材料的流平流挂性能的优劣。

Description

一种使用旋转流变仪快速评价水性高分子材料流平流挂性能 的测试方法

技术领域

本发明涉及检测领域，具体地涉及一种使用旋转流变仪快速评价水性高分子材料流平流挂性能的测试方法。

背景技术

水性高分子涂层材料是一种施工方便、丰富多彩、经济实用，安全环保的化工产品。它不仅具有使建筑、船舶、机械等的表面防止锈蚀，延长使用寿命的功能，还具有装饰环境给人以美的享受的功能，而随着科技的不断发展和人们对品质的不断追求，水性高分子涂层材料在不断的向更高性能、更高效，更环保的方向发展，水性高分子装饰材料逐步成为一种专用性更强的精细化学产品。

施工性能是评价水性高分子装饰材料的重要性能之一，施工性能包括施工手感、流平、流挂、光泽均匀度等等评价指标，而水性高分子装饰材料施工后涂层在底材表面的流平至关重要，流平的好坏会直接影响到涂膜的外观和光泽，是水性高分子装饰材料施工性能中的一项重要指标。流平是指水性高分子装饰材料在涂覆后，尚未干燥成膜之前，由于表面张力的作用，湿漆膜能够流动而消除施工过程中引入的涂痕和表面缺陷并逐渐收缩成最小面积，形成一个平整、光滑、均匀涂层的过程。

研究认为，流平的驱动力是水性高分子材料的表面张力，流平性是水性高分子材料经施涂后，产生流动能力的一种度量。Verkholantsev认为，流平性可以用Adams公式(式Ⅰ)来评价，这里假定涂膜刷痕为图1所示的正弦波。

a_t＝a₀exp[-Cγh³t/(3λ⁴η)] 式Ⅰ

式中，

a₀--起始时的波形振幅；

a_t--经过时间t之后的波形振幅；

C--常数；

γ--水性高分子材料的表面张力；

h--平均湿膜厚度；

t--湿膜涂刷后所经过的时间；

λ--刷痕的波长；

η--水性高分子材料的黏度。

由式Ⅰ可以看出，水性高分子材料样品的黏度低，刷痕波长短，波形振幅小，平均湿膜厚度大，样品表面张力高，流平的时间长，会对样品的流平有利。其中平均湿膜厚度以3次方起作用，刷痕间的波长以4次方起作用。表面张力大有利于流平，但是表面张力不能过高，否则会影响水性高分子材料对基层的润湿和附着。

在传统的施工性能评价中，流平流挂性能的评价主要依赖于施工人员及其相关人员的目视、触摸等感官评价，较为主观，不能定量评价，而在实验室中，通常使用轮廓仪对涂膜波形振幅进行测量，可以对涂膜的流平性进行客观定量评价，但是两种方式都需要施工完成后再进行测试，并且只能得到表象的结果，对于产品开发过程而言不能给到改进性能的建议，同时比较耗费时间，影响开发效率，因此开发一种快速测试评价水性高分子材料流平流挂性能的方法将具有实际的应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效测试评价水性涂料流平流挂性能的方法。

本发明的第一方面，提供了一种测试和评价水性涂料流平流挂性能的方法，包括步骤：

1)提供旋转流变仪和待测样品；

2)使用所述旋转流变仪以振幅扫描的形式对所述待测样品进行扫描，基于所得结果确定所述待测样品的线性粘弹区，然后使用数据处理软件计算得到所述旋转流变仪在所述扫描过程中在所述线性粘弹区的测试条件；

3)将所述待测样品置于所述旋转流变仪的测量系统中，以步骤2)所得测试条件，使用旋转流变仪在剪切模式下测得所述待测样品的流变学信息Y₁；

4)以步骤2)所得测试条件，使用旋转流变仪在震荡模式下测得所述待测样品的流变学信息Y₂；

5)使用式I计算所述待测样品的流平流挂相关参数L，然后与标准范围进行比对，从而判断所述待测样品的流平流挂性能。

L＝Y₁/Y₂ 式I

在另一优选例中，所述待测样品为水性涂料。

在另一优选例中，步骤2)中，所述“以振幅扫描的形式”是指以固定振荡频率、振幅从零开始增大的方式。

在另一优选例中，步骤2)中，“所得结果”是指所述待测样品的模量变化结果。

在另一优选例中，步骤3)中，所述旋转流变仪的测量系统选自下组：平行板测量系统、同心圆筒测量系统和锥平板测量系统。

在另一优选例中，所述旋转流变仪的测量系统为同心圆筒测量系统和平行板测量系统。

在另一优选例中，步骤3)中，所述流变学信息Y₁是指所述待测样品的屈服值。

在另一优选例中，步骤4)中，所述流变学信息Y₂是指在震荡模式下的扫描过程中所述待测样品在高频区域(10-20Hz)扫描所得流变学信息(即所述待测样品的结构强度)的均值。

在另一优选例中，步骤5)中，所述标准范围为0.5-5。

在另一优选例中，步骤5)中，所述标准范围为0.5-3.5。

在另一优选例中，步骤5)中，所述比对是指将所述流平流挂相关参数L与标准范围进行比较，

如所述待测样品的流平流挂相关参数L在标准范围内，则判断所述待测样品的流平流挂性能良好；

如所述待测样品的流平流挂相关参数L不在标准范围内，则判断所述待测样品的流平流挂性能较差。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是Adams公式中对涂膜微观结构的模拟示意图，其中设定涂膜刷痕具有正弦波结构。

图2为使用流变仪在剪切模式下测得的样品A、B、C、D、E的流变学信息。

图3为使用流变仪在震荡模式下测得的样品A、B、C、D、E的流变学信息。

图4为样品A、B、C、D、E涂膜的实际表面轮廓图。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，通过旋转流变仪的采用获得一种可高效、简便、直接测量和评价水性涂料流平流挂性能的方法。所述方法可在水性涂料产品研发早期对所得水性涂料的流平流挂性能进行预判，也可在水性涂料的筛选中快速筛出施工性能符合要求的水性涂料，更可在生产阶段实现对产品质量的准确把控，因此，所述方法可极大地推进水性涂料的产品研发进程、助于筛选更适于所需要求的水性涂料和保证生产环节水性涂料的品控。在此基础上，发明人完成了本发明。

水性高分子材料流平流挂性能

水性高分子涂层材料是指以水为分散介质，以合成树脂乳液为基料，加入颜填料和助剂经一定工艺过程制成的涂料。其固含量往往一般在45％～50％左右。

流平流挂性能是水性高分子材料施工性能的重要指标之一，产品需要在施工过程及涂膜干燥过程中无流挂现象，干燥后涂膜手感平整、光滑、均匀、无明显滚痕。水性高分子材料的流平流挂性能与其本身所具有结构强度有关，当样品的结构强度较弱时，当施加一定的外力后，有更多的能量转化为动能，样品的损耗模量较大而储存模量较小，样品更容易发生流动，当施工后，流平性能会较好，但是如果动能太大，则会容易产生流挂现象。而当样品结构较强时，当施加一定的外力后，有更多的能量转化为内能，样品的损耗模量较小而储存模量较大，样品则较不容易发生流动，当施工后，样品的流平性能较差，不会发生流挂现象。因此，合适的结构强度能够维持良好的流平和流挂性能平衡。

应理解，上述机理解释仅用于解释本发明但并不用于限制本发明。

如本文所用，术语“水性高分子涂层材料”、“水性高分子材料”和“水性涂料”可互换使用。

旋转流变仪

流变学测量是观察材料内部结构的窗口，通过对材料流变性能进行精确测定，能快速、简便、有效地进行原材料、中间产品和最终产品的质量检测和质量控制，为材料物理和力学性能设计、原料检验、加工工艺设计和预测产品性能提供基础数据和理论依据。实验室中常用流变仪来测定材料的流变性能，常用的流变仪分为旋转流变仪、毛细管流变仪、转矩流变仪和界面流变仪。

旋转流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，它们依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定聚合物熔体、聚合物溶液、悬浮液、乳液、涂料、油墨和食品等材料的粘弹性。同时，旋转流变仪还可以通过振荡模式测量得到样品结构强度的流变性能。

发明人在研究中发现，使用旋转流变仪测定水性高分子材料在剪切模式和震荡模式下的流变学信息，并进行数学处理，可以快速准确的对水性高分子材料的流平流挂性能做出评价。因此，在本发明方法中，通过使用旋转流变仪测定水性高分子材料在剪切模式和震荡模式下的流变学信息，来评定水性高分子材料的流平流挂性能的优劣。

检测方法

水性高分子材料的粘度，施工后涂膜的起始时的波形振幅a₀，经过时间t之后的波形振幅a_t，涂膜的表面张力都与水性高分子材料内部的结构强度有关，并且很大程度上取决于其本身结构强度的大小，因此我们引入流变仪这一可以测试物质内部结构强度的仪器，通过测试水性高分子材料内部结构信息预测样品的流平流挂性能。本发明中，通过使用流变仪分别在剪切模式和震荡模式下测得样品流变学信息，并进行数学处理，得到与流平流挂性能相关的流变学参数，能够快速、准确的评价产品的流平流挂性能。

具体地，本发明的测试方法包括步骤：

(a)提供旋转流变仪，和待测样品；

(b)使用旋转流变仪测定待测样品的线性粘弹区，并使用数据处理软件计算得到该频率下的测试条件；

(c)将样品添加到旋转流变仪测量系统中，按照步骤(b)中计算得到的实验条件，使用流变仪在剪切模式下测得样品的流变学信息；

(d)按照步骤(b)中计算得到的实验条件，使用流变仪在震荡模式下进行频率扫描，对扫描过程中的样品流变学信息(即样品的结构强度)进行数学处理，其中，所述数学处理是指将在高频区域(10-20Hz)扫描所得的流变学信息进行平均值计算，得到均值Y₂；

(e)将步骤(c)和步骤(d)中得到的样品流变学信息进行对比计算，得到样品的相关流平流挂性能参数，据此对样品的流平流挂性能进行评价。

其中，所述的线性粘弹区是指：流变仪中使用振幅扫描的形式对材料的整个线性粘弹区、非线性粘弹区进行扫描，以固定振荡频率、振幅从零开始增大的方法进行测试，用测得的模量变化可以表征出材料的线性粘弹区范围。

本发明方法填补了本领域中对水性高分子材料流平流挂性能快速测定的空白，通过对实验结果的探索，确定了使用流变仪快速测试水性高分子材料流平流挂性能的方法和标准，能够广泛应用于水性高分子材料研发和生产领域，有利于对产品流平流挂性能的快速鉴别，从而提高水性高分子产品的总体质量。

与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：

(1)使用所述方法进行水性涂料流平流挂性能的预判无需施工制膜，其可直接对水性涂料进行检测；

(2)所述方法具有检测速度快(约20分钟)和样品用量小(仅需20ml)的特点，即可以非常低的时间成本和物质成本获得所需流平流挂信息；

(3)所述方法对样品要求低，一般的水性涂料均可用所述方法进行检测评价；

(4)所述方法可在产品研发早期以小量样品实现对所得水性涂料流平流挂性能的预判，从而指导研发方向并提高研发效率，进而可显著降低研发总成本；

(5)所述方法可在生产阶段快速鉴别所得产品的流平流挂性能，利于产品的品控；

(6)所述方法可在水性涂料的筛选中快速筛得符合要求的涂料；

(7)所述方法具有准确度高的特点，以小量样品所测得的结果可有效地推及大量样品上；

(8)所述方法对检测环境无特殊要求，在实验室、生产车间均可快速使用。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

测试实施例

步骤1：选取5个水性高分子材料(即水性涂料)样品A、B、C、D、E测定上述样品在室温时的线性粘弹区，并计算得到该频率下振荡测试的实验条件；

步骤2：按照步骤1中计算得到的实验条件，使用旋转流变仪在剪切模式下测定样品A、B、C、D、E的流变学信息Y₁；

步骤3：按照步骤1中计算得到的实验条件，使用流变仪在震荡模式下测定样品A、B、C、D、E的流变学信息并计算高频时的均值，得到Y₂；

步骤4：将使用流变仪在剪切模式下测得的流变学参数Y₁，震荡模式下测得的流变学参数Y₂进行计算，得到样品的相关流平流挂性能参数L，计算公式如下：

L＝Y₁/Y₂

步骤5：按照传统测试实验方法，对水性高分子材料进行施工涂膜，待涂膜干燥后使用轮廓仪测得其流平得分。

使用流变仪在剪切模式下测得的样品A、B、C、D、E的流变学信息如图2所示，在震荡模式下的流变学信息如图3所示。

对上述的测试数据进行数学处理，得到相应的参数值L，如表1所示：

表1样品流变学参数表

按照传统实验方法，使用轮廓仪测试干燥涂膜表面得到的流平得分如下表2所示：

表2样品涂膜实际流平得分

样品	A	B	C	D	E
						流平得分	0.79	8.32	0.23	5.48	6.47

注：流平得分分为0-9分，0分最差，9分最好

从上述流变实验中可以看出，在剪切扫描试验中，样品A和样品C的屈服值分别为18.423和23.031，远大于样品B、D、E，说明样品A和样品C的结构强度较大，在施工完成后，样品A和样品C的流动需要克服更大的阻力，当流平驱动力一致时，A和C显然流平能力更小，而样品B、D、E的结构强度相对较小，当施工完成后，流动所需克服的阻力就较小，更容易流平。

在流变仪震荡扫描实验中，从图3中可以看出，样品C的曲线一直维持在0.3-0.4的区域，代表当施加一定的力给这个样品时，有更多的能量被样品本身内部转化，更少的能量用于发生形变流动等不可逆消耗，即具有较小的流动趋势，很难有良好的流平，而样品A的曲线从低频到高频持续从1.3降低到0.6，说明当施加一定的力给这个样品时，这个样品的结构较容易被破坏，具有较大的流动趋势，但是该样品的结构建立速度较快，流平的驱动力很快就不能维持流平，流动的趋势骤降，同样很难有较好的流平性能。而样品B、D、E的曲线一直维持在一定的区间，其在高频区域稳定在0.8-1.2之间，说明在施加一定的力给样品时，在一定的时间内可以一直保持较高的流动趋势，能够给流平足够的时间，将会具有较好的流平性能。

大量的实验研究和实验数据表明，流平和流挂性能的平衡需要产品具有合适的结构强度，如果内部结构太强，流平所受阻力较大，流平性能将较差，而内部结构太弱，流动性太好，可能会出现流挂的风险。在A、B、C、D、E这五个样品中只有B、D、E这三个样品的流平流挂相关参数L在范围0.5-3.5以内，因此我们预测这三个样品在实际的施工后会有较好的流平流挂性能。而样品A和样品C的L值分别为30.20和71.97，远大于5，因此可判断这两个样品施工后的流平性能较差。

而按照传统流平性能评价的方法，使用轮廓仪测试干燥涂膜表面得到的流平得分及表面的微观结构，从表2和图4中可以看出，样品A和样品C的涂膜表面微观结构较大，流平得分均低于1分，样品的流平性能确实不好，而样品B、D、E的表面微观结构较小，流平得分均高于5分，样品的实际流平性能确实很好。

综上所述，使用流变仪测定样品流平流挂性能得到的实验结果，与按照传统的方法测定得到的流平流挂性能实验结果完全一致，这说明本发明方法所使用的流变学实验方法准确可靠，并且实验不需要进行施工制膜，可对原样品进行直接测试，所需时间仅为20分钟，能够大幅度的提高实验效率。与此同时，通过对流变图中的实验数据分析我们还发现，在新产品的开发过程中，流变仪方法还可以给到实验人员如何改进流平流挂性能一定的建议，从而进一步的提高产品开发效率。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种测试和评价水性涂料流平流挂性能的方法，其特征在于，包括步骤：

1)提供旋转流变仪和待测样品；

2)使用所述旋转流变仪以振幅扫描的形式对所述待测样品进行扫描，基于所得结果确定所述待测样品的线性粘弹区，然后使用数据处理软件计算得到所述旋转流变仪在所述扫描过程中在所述线性粘弹区的测试条件；

3)将所述待测样品置于所述旋转流变仪的测量系统中，以步骤2)所得测试条件，使用旋转流变仪在剪切模式下测得所述待测样品的流变学信息Y₁；

4)以步骤2)所得测试条件，使用旋转流变仪在震荡模式下测得所述待测样品的流变学信息Y₂；

5)使用式I计算所述待测样品的流平流挂相关参数L，然后与标准范围进行比对，从而判断所述待测样品的流平流挂性能。

L＝Y₁/Y₂ 式I 。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样品为水性涂料。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，所述“以振幅扫描的形式”是指以固定振荡频率、振幅从零开始增大的方式。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，“所得结果”是指所述待测样品的模量变化结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述旋转流变仪的测量系统选自下组：平行板测量系统、同心圆筒测量系统和锥平板测量系统。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述流变学信息Y₁是指所述待测样品的屈服值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，所述流变学信息Y₂是指在震荡模式下的扫描过程中所述待测样品在高频区域(10-20Hz)扫描所得流变学信息(即所述待测样品的结构强度)的均值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，所述标准范围为0.5-5。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，所述标准范围为0.5-3.5。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中，所述比对是指将所述流平流挂相关参数L与标准范围进行比较，

如所述待测样品的流平流挂相关参数L在标准范围内，则判断所述待测样品的流平流挂性能良好；

如所述待测样品的流平流挂相关参数L不在标准范围内，则判断所述待测样品的流平流挂性能较差。

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