Вязкость ЛКМ и иных жидкостей
Вязкость ЛКМ – важный технологический параметр при производстве малярных, отделочных и антикоррозионных работ.
Вязкость является одним из предметов изучения реологии.
Реология – наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях.
Вязкость жидкости – это её способность сопротивляться истечению под воздействием внешней силы (гравитация, давление). Вязкость является мерой межмолекулярных (когезионных) сил сцепления, сопротивления силе сдвига слоя.
Текучесть жидкости (обозначается φ) – величина, обратная величине вязкости.
От чего зависит вязкость жидкости
Молекулы жидкости, двигаясь хаотически, переносят импульс из одного движущегося слоя жидкости в другой, что приводит к выравниванию скоростей слоёв.Механизм вязкости: вязкость жидкости обусловлена силами молекулярного взаимодействия - размером молекул, и временем их соприкосновения.
Физические особенности большинства жидкостей:
1. Увеличение температуры приводит к снижению вязкости (жидкость течёт легче).
Причина: нагрев увеличивает тепловую и кинетическую энергии молекул жидкости, т. е. движение молекул ускоряется – сокращается время взаимодействия молекул – когезионная сила сцепления молекул снижается – сопротивление течению снижается. (Исключения: клеи, пластики, эпоксиды).
2. Увеличение давления приводит к повышению вязкости (течёт хуже).
Причина: молекулы принудительно сближаются, повышается когезия. Эффект влияния давления на вязкость проявляется меньше, чем влияние температуры.
3. Скорость потока жидкости прямо пропорциональна текучести и обратно пропорциональна вязкости.
4. При прокачивании жидкости по трубе с постоянной скоростью потока, величина приложенного давления пропорциональна вязкости жидкости.
5. Вязкость зависит от размера молекул жидкости, чем они крупнее и сложнее цепочки в них, тем вязкость выше.
6. При снижении вязкости (разбавление) цвет краски становится менее насыщенным.
Физические характеристики вязкости
В процессе определения вязкости жидкости выделяют два её аспекта: динамическая (или абсолютная) вязкость и кинематическая вязкость. Динамическая вязкость является более фундаментальным свойством, кинематическая вязкость – производным.
Динамическая вязкость
Динамическая (абсолютная) вязкость жидкости – это мера внутреннего трения движущейся жидкости – тенденция противодействия динамическому изменению (сдвигу слоев) в потоке.
Коэффициент вязкости определяется отношением напряжения сдвига слоя к скорости сдвига. Обозначается η.
η = F / G,
где
η — коэффициент вязкости (или просто вязкость)
F — напряжение сдвига
G — скорость сдвига.
Измеряется в сантипуазах (сП) или в миллипаскалях на секунду (мПа*с).
Динамическая вязкость воды при температуре +20°C равна 1 сП (=1 мПа*с).
[сП] = [мПа*с]
(англ. cP = mPa.s)
Динамическая вязкость дает информацию о силе, необходимой для того, чтобы жидкость текла с определенной скоростью. В большей степени характеризует поведение жидкости при невысоких температурах. Не зависит от плотности жидкости.
Современные вискозиметры, измеряющие динамическую вязкость, основаны на измерении напряжения сдвига при заданной скорости сдвига. Такой метод позволяет более полно характеризовать отпечаток вязкости сложных неньютоновских жидкостей.
График F от G называется реограммой, характеризует реологические свойства жидкости.
Таблица динамическая вязкость жидкостей (в сП):
0,3 – ацетон
0,6 – толуол
0,8 – ксилол
1 – вода
2 – молоко
14 – сливки
28 – масло детское массажное
56 – 84 – масло оливковое
65 – сливки 30%
81 – сок томатный
260 – масло моторное 15W-40
648 – 1`500 – глицерин
1`000 – клей силикатный
2`000 – гель для душа
2`700 – 4`000 – мёд
3`000 – 26`000 – шампунь, сироп
10`000 – йогурт
15`000 – 70`000 – кетчуп (медленно течет)
20`000 – 220`000 – майонез
50`000 – 100`000 – зубная паста (очень медленно течет)
100`000 – кондиционер для волос
180`000 – шпатлёвка, крем для рук (крайне медленно течет)
1`200`000 – гель для волос
Вязкость большинства жидкостей не зависит от скорости сдвига – для них выполняется Закон вязкости Ньютона – они называются ньютоновскими.
Однако, есть жидкости, с переменной вязкостью, они называются неньютоновскими. Например жидкости, вязкость которых не зависит от времени:
- псевдопластичные (кетчуп, полимеры) - вязкость снижается с ростом скорости перемешивания
- дилатантные (крахмал + вода) - вязкость растёт с ростом скорости перемешивания
- тиксотропные (смазки, пластизоли) - вязкость снижается со временем
- реопектические (гипсовая паста) - вязкость растёт со временем.
Кинематическая вязкость
Кинематическая вязкость жидкости (обозначается ν) выражается как отношение динамической вязкости жидкости к её плотности.
μ – динамическая вязкость
ρ – плотность жидкости
[мм2/с] = [сСт]
Кинематическая вязкость показывает, насколько быстро движется жидкость при приложении определенной силы. Кинематическая вязкость — это скорость сдвига: скорость, с которой жидкость сдвигается. Связана с инерцией и гравитацией. Измеряется в сантистоксах либо квадратных миллиметрах за секунду. [сСт] = [мм2/с]
Кинематическая вязкость испытуемой жидкости может быть определена по эмпирическим формулам или графикам зависимости от времени истечения через вискозиметр.
Исторически, первые методы измерения вязкости предполагали измерение кинематической вязкости, поскольку её измерить было проще, она не предполагает измерения силы. Эти методы просто измеряют время, необходимое жидкости для истечения через заданную геометрию трубки. В большинстве кинематических вискозиметров (капиллярные трубки, воронки) поток жидкости приводится в движение силой земного тяготения.
Плотность некоторых жидкостей при t=20°С, (кг/м3):
Ацетон – 790
Вода – 1000
ПФ-115 черная – 1032
ГФ-95 – 1132
Глицерин – 1260
Молоко сгущенное с сахаром – 1300
Мёд – 1350
ПФ-115 красная – 1338
ПФ-115 кремовая – 1796
КФ-19М – 2045
Две разные жидкости могут иметь одинаковую динамическую вязкость, но наверняка разную кинематическую вязкость (из-за разницы в плотности).
Какую вязкость следует использовать
Если вас интересует взаимодействие между молекулами, которое зависит от механического напряжения, например давления, то более подходит динамическая вязкость. Также динамическая вязкость позволит вам установить эффект, который оказывают на молекулярное взаимодействие изменение рецептуры лакокрасочного материала.
Кинематическая же вязкость была стандартом в нефтяной промышленности из-за простоты кинематических вискозиметров. Кинематическая вязкость более удобна, когда интерес представляет движение жидкости и поле скоростей, поскольку она несет информацию о распространении движения за счет трения.
Для водно-дисперсионных материалов чаще всего определяют динамическую вязкость (вязкость по Брукфильду). Для органорастворимых материалов – условную вязкость по воронке ВЗ-246.
Условная вязкость
Условная вязкость лакокрасочных материалов, обладающих свободной текучестью – это время (в секундах) непрерывного истечения в секундах определенного объема испытуемого материала через калиброванное сопло вискозиметра, например типа ВЗ‑246.
Типичный вариант измерения: вискозиметр ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм и объемом воронки 100 мл. Температура испытуемого материала: 20 ± 0,5°С. Метод подходит для ЛКМ по среднюю вязкость включительно, с условной вязкостью от 12 до 700 с (10 - 6000 сСт). Для более густых ЛКМ условная вязкость определяется другим способом – шариковым вискозиметром – измеряется время (в секундах) прохождения стального шарика между двумя метками вертикально установленной стеклянной трубки вискозиметра, наполненной испытуемым материалом.
Вязкость условная может быть выражена в градусах Энглера: °Е, °ВУ.
1 ед. °ВУ = 3,78 мм2/с.
Чем измерить вязкость жидкости
Водно-дисперсионные материалы – динамическую вязкость по Брукфильду, ротационный вискозиметр. Или условную вязкость по воронке ВЗ-246.Органорастворимые материалы – условную вязкость по воронке ВЗ-246.
Ньютоновские жидкости малой и средней вязкости – кинематическая вязкость, любой вискозиметр, например капиллярный.
Неньютоновская жидкость – ротационный вискозиметр.
Классификация материалов
ЛКМ можно (довольно условно) классифицировать по вязкости. От степени вязкости ЛКМ будет зависеть выбор метода нанесения, модель окрасочного аппарата и диаметр сопла.Невязкие жидкости, до 50 сСт – растворители, вода, бензин, финишные краски, некоторые лаки.
С невысокой вязкостью, 50-500 сСт – масла, эмульсии, акрилы, некоторые эпоксиды.
Средней вязкости, 500-7000 сСт – глицерин, кефир, силиконовые краски, жидкая резина.
Высокой вязкости, от 70000 сСт – смазки, шпаклевки, пасты, битум.
График взаимосвязи условной вязкости (по ВЗ-246) и кинематической вязкости
Практические аспекты вязкости
- Рабочая вязкость материала – от неё, очевидно, значительно зависят как процесс нанесения, так и качество итогового покрытия.
Если вязкость материала больше оптимальной – нанесение материала затруднено, так как
а) часто забивается сопло,
б) возникает шагрень – нет необходимого растекания материала по поверхности для формирования равномерной плёнки.
Итоговое покрытие характеризуется недостаточными адгезией и долговечностью.
Если вязкость ниже оптимальной – нанесение материала также затруднено, так как на наклонных и вертикальных поверхностях материал образует потеки и наплывы.
В итоге – неравномерное с потёками покрытие, в верхней части которого толщина недостаточна, а в нижней – избыточна. Итоговое покрытие плохо защищает субстрат в верхней части, имеет низкую долговечность, низкие декоративные свойства.
- Вязкость ЛКМ регулируется путем добавления разбавителя. Не все разбавители совместимы с ЛКМ, этот момент надо уточнять у производителя материала, так как только производитель точно знает: какие растворители входят в состав ЛКМ и как влияет изменение их концентрации.
Конченая цель маляра – это ЛКП в виде сухой плёнки заданной толщины. Если мы добавляем разбавитель в материал, скажем, на 10% – тем самым снижается сухой остаток – значит при нанесении нужно увеличить толщину мокрой пленки на эти же 10%, для поддержания необходимой толщины ЛКП.
- Так как вязкость зависит от температуры материала, при разной погоде нужны и разные сопла: летом (в жару) – с меньшим диаметром, при нормальных условиях (+20°C) – со средним диаметром, зимой (на холоде) – с большим диаметром.
Иногда в жаркую погоду материал без разбавления может дать потёки. Здесь возможны несколько вариантов решения:
а) взять минимальное сопло из рекомендованных; наносить ЛКМ в несколько слоев, с межслойной сушкой.
б) для применения по вертикальным поверхностям заменить материал на тиксотропный (Тиксотропия — способность уменьшать вязкость от механического воздействия и увеличивать вязкость в состоянии покоя).
в) перенести рабочие смены на менее жаркий период суток.
Внимательно выбирайте аппарат и сопло для распыления вашего материала. Если есть вопросы – обращайтесь за консультацией.
