Four Types of Determination Methods for Coating Viscosity

流体在外力作用下流动和变形,黏度是流体抗拒流动内部阻力的量度,也称为内摩擦力系数。黏度以对流体施加的外力与产生流动速度梯度的比值表示。外力有剪切力和拉伸力,剪切应力与剪切速率的比值称为剪切黏度,通称动力黏度,国际单位为帕·秒(Pa·s)。动力黏度与密度的比值称为运动黏度,单位是米2/秒(m2/s)。

流体流动分为牛顿型和非牛顿型。牛顿型流动是流体在一定温度下,在很宽的剪切速率范围内,黏度(剪切应力与剪切速率之比)值是常数。非牛顿型流体的黏度值随剪切应力的变化而改变。随着剪切应力的增加,黏度值降低的流体称为假塑性流体;切变应力增加,黏度值也随之增加的称为膨胀性流体;如果在流体流动发生以前需要施加一定的切变应力才能流动,低于这个屈服值,流体只能变形的称为塑性流体。非牛顿型流体的黏度通常称为表观(现)黏度。表观黏度是这个黏度值仅与一个剪切速率相关,在不同的剪切速率下,表现出不同的表观黏度值。

液体涂料中除溶剂型清漆和低黏度的色漆属于牛顿型流体以外,绝大多数的色漆属于非牛顿型中的假塑性流体或塑性流体,因此,它们的黏度值是它们的表观黏度。厚浆状的涂料如腻子习惯上称其黏度为稠度(consistency),表示的是其流动性。

液体涂料,特别是含有密度大颜料的色漆,为了在容器中能够长期贮存,通常保持较高的黏度值,这是涂料的原始黏度。施工时需要用稀释剂调整至较低的黏度,以适合不同施工方法的需要,这时的黏度称为施工黏度。

涂料的原始运动黏度因品种而异,一般清漆在150~300mm2/s,磁漆在200~400mm2/s,个别厚浆型品种能高达数万mm2/s。施工黏度刷涂较高,在250mm2/s左右,空气喷涂时的施工黏度通常要求50mm2/s左右,无空气喷涂、淋涂或浸涂等要求的施工黏度各异。涂料的原始黏度和施工黏度随温度升降而变化,因此只能在同一温度条件下测定。

液体涂料的黏度检测方法有多种,分别适用于不同的品种,主要采用间接比较的测定方法。透明清漆和低黏度色漆的黏度检测以流出法为主,透明清漆以及溶剂法合成树脂时的黏度检测还釆用气泡法和落球法。高黏度色漆是通过测定不同剪切速率下的应力来测定黏度的,同时还可测定液体其他的流变特性。

(1)流出法

通过测定液体涂料在一定容积的容器内流出的时间来表示涂料的黏度。According to使用的仪器可分为毛细管法和流量杯法(见图3-3)。这是比较常用的方法。

①毛细管法是测定涂料黏度的一种经典方法,适用于测清澈透明的液体。毛细管黏度计有多种型号,如奥斯特瓦尔德黏度计(0stwaldviscometer)、赛波特黏度计(Sayboltvis-cometer)、坎农一芬斯克黏度计(Cannon-Fenskeviscometer)、乌氏黏度计(Ubbe1ohdevis-cometer)等。各种黏度计又按毛细管内径尺寸不同,分别适用于不同范围黏度的测量。由于毛细管黏度计易损坏, 而且操作清洗均较麻烦, 不适合用于工业生产, 现主要用于校正其他黏度计 。

② 流量杯法实质上是毛细管黏度计的工业化应用, 将毛细管黏度计计时的起止线之间的容积放大, 并把细长的毛细管改为粗短的小孔。 由于容积大、 流出孔又粗又短, 因此操作、 清洗均较方便, 应用比较广泛。 流量杯黏度计所测定的黏度为运动黏度, 通常以一定量的试样从黏度杯流出需要的时间来表示, 以秒作单位。 这种黏度计适用于低黏度的清漆和色漆, 但不适用于测定非牛顿型的涂料, 如高稠度、 高颜料分涂料。 流量杯黏度计由于流出孔直径大、 长度短, 因而流动的稳定性较差, 再加上流动过程中雷诺指数较大, 因此, 它不能代替毛细管黏度计用于科学研究方面 。

世界各国使用的流量杯黏度计各有不同名称, 都按流出孔径大小划分为不同型号。 各种黏度杯的形状大致相同, 但结构尺寸略有差别 。 我国通用涂一1黏度计和涂一4黏度计 (GB 1723-79),同时等效釆用 IS〇流量杯(GB6753.4-86);美国 ASTM规定釆用的是福特(Ford)杯和壳牌杯(She11 cup);德国釆用的称为 DI黏度杯。它们都按孔径大小分为不同的型号,如 IS〇杯有3#、4特和6#三种。

每种型号的黏度杯都有其很好的的测量范围 。 我国涂一1黏度计适用于测定流出时间大于2os的涂料, 涂一4黏度计适用于测定流出时间为2o~1oos的涂料。 IS〇及福特杯则适用于测定流出时间为3o~9os的涂料。 低于或高于流出时间范围, 测得的数据准确度就差。

用流出时间可换算成运动黏度, 但各种黏度杯的换算公式不同 。 同样孔径大小的黏度杯因其结构尺寸不同, 同样流出时间换算得到的运动黏度值也不同 。 运动黏度为300mm2/s的涂料样品,用涂一4黏度计测得的流出时间为8os;福特杯4#杯为82s,而用 IS〇4#杯超过1oos,须换用 IS〇6#杯,测得的流出时间为44s。在选用流量杯测定黏度时,需选择合适型号的黏度计, 使测得的流出时间在规定范围的中间, 并且注明使用何种型号的黏度计所测 。

察恩黏度计(Zahncup)适用于施工现场。它为圆柱形、球形底,配有较长提手,按其底部开有的小孔的尺寸分为5个型号, 合成一套, 分别测量不同黏度的产品, 测定的范围为20~1200mm2/s。 此种黏度计操作方便, 适合现场使用 。

(2)落球法

落球法利用固体在液体中移动速度的快慢来测定液体的黏度, 适用于测定黏度较高的透明涂料,如硝酸纤维素清漆及漆料,多用于生产控制。我国国家标准 GB1723-79 «涂料黏度测定法» 规定了落球黏度计的规格和测试方法 。

简单的落球黏度计是由一根精确尺寸的玻璃管, 内装满被测液体, 用一钢质 (或铝质、玻璃)小球沿管中心自由落下,取自由降落过程中的一段距离,测定其时间, 以秒表示。 垂直式落球黏度计测得的时间可以用斯托克斯(Stokes)公式近似换算成动力黏度(Pa· s)。

式中, d表示钢球直径, cm; v表示钢球下降速度, cm/s;ρs表示钢球的密度, g/cm3; p 表示试样的密度, g/cm3; g为重力加速度, 980cm/s2。

偏心式落球黏度计是落球黏度计的改进产品, 即赫伯勒 (Hoppler) 黏度计 。 管子倾斜成一定的角度, 使小球沿管壁稳定下滑, 可避免小球在垂直降落过程中因偏离垂线而引起的测量误差。 小球沿管壁下滑时, 在管壁上映出银灰点, 能测定不透明液体的黏度。

(3)气泡法

利用空气泡在液体中的移动速度来测定涂料产品的黏度, 所测黏度也是运动黏度, 只适用于透明清漆 。

工业上常用 Gardner-Holdt气泡黏度计, 在一套同一规格的玻璃管内封入不同黏度的标准液, 进行编号, 将待测试样装入同样规格的管内, 在相同温度下, 和标准管一起翻转过来, 比较管中气泡移动的速度, 以与其最近似的标准管的编号表示其黏度, 通称加氏标准管号黏度,由 A5起到 Z,o,现有41个档次(低黏度系5个;清漆系2o个;高黏度系12个; 橡胶系4个)。

也可不与标准管比较, 测定气泡上升的时间, 用时间 (s) 作为表示黏度的单位。 编号、秒等这些条件黏度可以换算成标准的运动黏度或动力黏度 。   

(4) 设定剪切速率测定法

高黏度的色漆是非牛顿型流体, 在不同的剪切应力作用下产生不同的剪切速率, 因而它们的黏度不是一个定值, 用上面3种方法都不能测出它们的实际黏度值。 在固定的剪切应力下改变剪切速率, 得到涂料的表观黏度曲线, 能够说明涂料的流变性。 旋转黏度计是使涂料产生旋转流动, 测量使其达到固定旋转速率时需要的应力, 再换算成涂料的黏度。

The original rotary viscometer is constructed as two concentric cylinders, and the inner cylinder can rotate. Driven by a motor, the speed is adjusted so that the inner cylinder rotates at a given lower speed (6~120r/min), and the torque caused by the rotation of the inner cylinder to the outer cylinder is measured, which can be converted into a value of dynamic viscosity. Modern Rotational Viscometers come in many forms, all of which display values ​​and adjust automatically (see Figure 3-4). Different Rotational Viscometers are suitable for testing different coating products (see Table 3-2).

The quality control of colored paint generally adopts the rotary table type, which can measure the viscosity at several rotational speeds, and then draw the flow curve to measure the thixotropy. The determination method of the rotating disc rotary viscometer is specified in the American ASTM D2196-81. The measurement results are expressed in mPa·s.

Most latex paints use paddle type, such as Stormer viscometer (Stormerviscometer). Particularly viscous coatings are usually tested with a cone and plate Rotational Viscometer. my country's national standard GB9269-88 "Determination of viscosity of architectural coatings Stormer viscometer