DIN SPEC 91143-2-2012 Modern rheological test methods - Part 2 Thixotropy - Determination of the time-dependent structural change - Fundamentals and interlaboratory test Text in Ge.pdf

1、September 2012 Normenausschuss Beschichtungsstoffe und Beschichtungen (NAB) im DINPreisgruppe 15DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 87.040; 17.060Zur Erstellung

2、 einer DIN SPEC knnen verschiedene Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln eines Fachberichts erstellt.!$/K“1911240www.din.deDDIN SPEC 91143-2Moderne rheologische Prfverfahren Teil 2: Thixotropie Bestimmung der zeitabhngigen Strukturnderung Grun

3、dlagen undRingversuch;Text Deutsch und EnglischModern rheological test methods Part 2: Thixotropy Determination of the time-dependent structural change Fundamentals andinterlaboratory test;Text in German and EnglishMthodes dessai rhologiques modernes Partie 2: Thixotropie Dtermination de la limite d

4、coulement Principes et essais interlaboratoires;Texte en allemand et anglaisAlleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 61 SeitenB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF86D9NormCD - Stand 2013-08 DIN SPEC 91143-2:2012-09 2 Inhalt Seite Vorwort .

5、 3 1 Begriffe und Erluterungen . 4 2 Ttigkeit des Arbeitskreises 6 3 Messtechnische Bestimmung der Thixotropie 6 4 Ringversuch 18 5 Ergebnis . 20 6 Empfehlung . 22 Anhang A (informativ) Details zum Ringversuch 23 Literaturhinweise . 31 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF86D9NormCD - Stand 201

6、3-08 DIN SPEC 91143-2:2012-09 3 Vorwort Diese Spezifikation DIN SPEC 91143-2 (DIN-Fachbericht) wurde im Arbeitskreis NA 002-00-07-16 AK “Rheologie“ des Normenausschusses Beschichtungsstoffe und Beschichtungen (NAB) im DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. erarbeitet. Ziel dieses Arbeitskreises war

7、 es, den Anwendern aus der Lacktechnologie eine Anleitung zum Einsatz verschiedener Messmethoden zur Bestimmung der Thixotropie zu geben. Da die rheologischen Eigenschaften stark von den einzelnen Produkten abhngig sind, erschien es dem Arbeitskreis sinnvoll, anstelle einer allgemein gltigen Norm di

8、e Ergebnisse der durchgefhrten Ringversuche in Form eines Fachberichtes zu verffentlichen. Dieser Fachbericht wird zweisprachig auf Deutsch und Englisch verffentlicht. Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zur Bestimmung des thixotropen Verhaltens von Beschichtungsstoffen und deren

9、 Rohstoffen zu finden und ihre Anwendbarkeit erfolgreich zu prfen. Es ist nicht in jedem Fall mglich, mit einer allgemein gltigen Messvorschrift alle Messproben beschreiben zu knnen. Dieser Fachbericht wurde von folgenden Mitgliedern des Arbeitskreises “Rheologie“ innerhalb des Normenausschusses Bes

10、chichtungsstoffe und Beschichtungen erstellt: Elke Fischle, Dr. Eva Frigge, Lothar Gehm, Dr. Hans Klee-Wohlenberg, Dr. Cornelia Kchenmeister, Thomas Mezger, Dr. Michael Osterhold, Torsten Remmler, Dr. Ulrike Weckenmann, Dr. Henning Wolf, Roland Worlitsch. Bereits im Jahr 2005 wurden hierzu erste Ide

11、en entwickelt und Vorversuche entworfen, um die bestmglichen Bedingungen fr die eigentlichen Messungen zu erarbeiten und um geeignete Proben zu finden, die einen fr die Industrie relevanten Bereich abdecken sollten. So wurden in einem ersten Ringversuch neben einem Standardl der PTB fnf Proben (drei

12、 Wasserbasislacke, eine pastse Dichtungsmasse und eine Dispersion), mit insgesamt vier unterschiedlichen Methoden vermessen, um die grundstzliche Eignung dieser Messverfahren zur Bestimmung der thixotropen Eigenschaften von Beschichtungsstoffen nachzuweisen. Im zweiten Ringversuch (2009, 2010) stand

13、 die Ermittlung der Przisionsdaten (Wiederholprzision und Vergleichprzision) im Vordergrund. Untersucht wurden dazu ein Wasserbasislack und ein konventioneller Klarlack. Folgende Methoden wurden angewendet: Fliekurven, mit Auswertung der Hystereseflche (Rotationsversuch); Schersprung mit Erholung, a

14、ls Rotationsversuch bei Vorgabe der Scherrate; Schersprung mit Erholung, als Rotationsversuch bei abwechselnder Vorgabe von Schubspannung und Scherrate; Schersprung mit Erholung, als kombinierter Oszillations-/Rotations-Versuch bei Vorgabe der Scherdeformation bzw. Scherrate. Grundstzlich kann festg

15、ehalten werden, dass zur eindeutigen Charakterisierung verschiedener Produkte unterschiedlicher Substanzklassen die Erarbeitung jeweils spezifischer Versuchsvorgaben sinnvoll und notwendig ist. Um die Ergebnisse vergleichen zu knnen, muss die Einhaltung vorher genau spezifizierter Messbedingungen vo

16、rausgesetzt werden. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF86D9NormCD - Stand 2013-08 DIN SPEC 91143-2:2012-09 4 Die Aufnahme von Fliekurven zur Bestimmung der Thixotropie ist weniger geeignet, quantitative Aussagen (Hystereseflche als Ma fr Thixotropie) treffen zu knnen. Fliekurven knnen in dies

17、em Zusammenhang nur einen ersten berblick ber das generelle Flieverhalten einer Substanz liefern. Mehr Aussagekraft zum thixotropen Verhalten und speziell zum Strukturwiederaufbau nach Belastung haben dagegen die Methoden, die auf Schersprngen mit Erholung basieren, beispielsweise als Rotationsversu

18、ch bei Vorgabe der Scherrate. Hier sind gute Werte zur Wiederhol- und Vergleichprzision (z. B. Struktur-Erholungs-Index, Thixotropie-Index) zu beobachten. 1 Begriffe und Erluterungen 1.1 Begriffe 1.1.1 Viskositt Ma fr die innere Widerstandskraft einer Substanz gegen Flieen ANMERKUNG 1 zum Begriff: V

19、iskoses Verhalten ist mit irreversibler Deformation verbunden. 1.1.2 Elastizitt Eigenschaft eines Stoffes, der nach Deformation eine reversible Rckdeformation aufweist ANMERKUNG 1 zum Begriff: Elastisches Verhalten wird mit Elastizittsmodul (Dehnmodul) E oder Schubmodul G beschrieben. 1.1.3 Viskoela

20、stizitt Eigenschaft eines Stoffes, der sowohl elastisches als auch viskoses Verhalten zeigt 1.1.4 Thixotropie thixotropes Verhalten Verhalten, bei dem die rheologischen Parameter wie Scherviskositt auf Grund mechanischer konstanter Beanspruchung gegen einen zeitlich konstanten Grenzwert abnehmen und

21、 nach Reduzierung der Beanspruchung zeitabhngig der Ausgangszustand vollstndig wieder erreicht wird ANMERKUNG 1 zum Begriff: In der Praxis wird lediglich ein begrenztes Zeitfenster betrachtet, in dem der Ausgangszustand nicht immer wieder erreicht wird. ANMERKUNG 2 zum Begriff: In der Praxis wird au

22、ch eine nicht vollstndige Rckbildung flschlicherweise als thixotropes Verhalten bezeichnet. ANMERKUNG 3 zum Begriff: Das aus den Messwerten berechnete thixotrope Verhalten hngt sowohl von der Probenvorbereitung, der Messmethode als auch von der Auswertemethode ab. Mess- und Auswertemethoden siehe DI

23、N SPEC 91143-2. 1.1.5 Rheopexie rheopexes Verhalten Verhalten, bei dem die rheologischen Parameter wie Scherviskositt auf Grund mechanischer Beanspruchung gegen einen zeitlich konstanten Grenzwert zunehmen und nach Reduzierung der Beanspruchung zeitabhngig der Ausgangszustand vollstndig wieder errei

24、cht wird ANMERKUNG 1 zum Begriff: In der Praxis wird lediglich ein begrenztes Zeitfenster betrachtet, in dem der Ausgangszustand nicht immer wieder erreicht wird. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EF86D9NormCD - Stand 2013-08 DIN SPEC 91143-2:2012-09 5 ANMERKUNG 2 zum Begriff: In der Praxis wi

25、rd auch eine nicht vollstndige Rckbildung flschlicherweise als rheopexes Verhalten bezeichnet. ANMERKUNG 3 zum Begriff: Das aus den Messwerten berechnete rheopexe Verhalten hngt sowohl von der Probenvorbereitung, der Messmethode als auch von der Auswertemethode ab. 1.1.6 Fliegrenze f kleinste Schubs

26、pannung, oberhalb derer ein Stoff sich rheologisch wie eine Flssigkeit verhlt; unterhalb der Fliegrenze verhlt er sich wie ein elastischer oder viskoelastischer Festkrper ANMERKUNG 1 zum Begriff: Der ermittelte Fliegrenzenwert hngt sowohl von der Probenvorbereitung, der Messmethode als auch von der

27、Auswertemethode ab. ANMERKUNG 2 zum Begriff: Die Fliegrenze fwird in Pascal (Pa) angegeben. Es gilt: 2m1N1Pa1 = ANMERKUNG 3 zum Begriff: Siehe auch DIN-Fachbericht 143. 1.2 Erluterungen zu den Begriffen In vielen Beschichtungen und Dispersionen wird durch Scherung das Flieverhalten verndert. Werden

28、dabei meist durch van-der-Waals-Krfte oder durch Wasserstoffbrckenbindungen bewirkte Bindungen zwischen Moleklverbnden aufgebrochen, so ist die resultierende Vernderung der Flieeigenschaften hufig zeit- und scherratenabhngig. Ist dieser Vorgang reversibel, d. h., bilden sich die aufgebrochenen Bindu

29、ngen in einer Ruhephase wieder neu, so bezeichnet man diesen Vorgang als Thixotropie (aus dem Griechischen: thixis = Berhren und trepo = ich ndere) und Stoffe, die solches Verhalten zeigen, als thixotrope Stoffe. Thixotropie ist ein rheologisches Verhalten von sehr groer technischer Bedeutung. In Ru

30、he befindliche Dispersionen bestehen aus groen dreidimensionalen berstrukturen, z. B. Agglomeraten oder Verschlaufungen. Sie sind rheologisch betrachtet fest“, dieser Zustand wird auch als Gel-Zustand bezeichnet. Nach einer Scherung, die durch eine bleibende Verformung, aber auch durch kleine Erscht

31、terungen, z. B. durch Rtteln oder durch Ultraschall, hervorgerufen werden kann, brechen die berstrukturen auf. Die jetzt kleinen Einheiten knnen sich besser bewegen, die Dispersion geht in den flssigen“, den Sol-Zustand ber. Der Grad der Verflssigung“ hngt vom Anteil der aufgebrochenen Bindungen ab,

32、 dieser Anteil ist sowohl zeitabhngig als auch scherratenabhngig. Im Ruhezustand knnen sich besonders Wasserstoffbrckenbindungen und van-der-Waals-Bindungen neu bilden, es kommt dann zum Wiederaufbau der berstruktur, was durch Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften messtechnisch ermittelt wer

33、den kann. Dieser Rckbildungsprozess ist ebenfalls zeitabhngig. Das bedeutet, dass das Flieverhalten oder allgemeiner die rheologischen Eigenschaften von Dispersionen bis zu einem gewissen Grad durch die Scherbehandlung beeinflusst werden knnen. Damit wird z. B. einerseits die Lagerung im festen Zust

34、and und andererseits eine Verarbeitung im flssigen Zustand mglich. Nach der Verarbeitung ist hufig wieder eine Verfestigung wnschenswert, diese erfolgt automatisch, wenn die Verformung des Materials, z. B. das Applizieren eines Lackes, beendet ist. Neben der Steuerung der Flieeigenschaften durch die

35、 Scherbehandlung ist eine Beeinflussung der Art und Anzahl der Bindungen durch geeignete chemische Manipulation der Dispersion durch die Wahl einer Matrix oder mit Hilfe von Zustzen bereits bei der Herstellung mglich. 1.3 Bedeutung der Thixotropie bei Beschichtungsstoffen In der Lacktechnologie besi

36、tzt der Parameter “Thixotropie“ eine zentrale Bedeutung. Viele Applikations- und anwendungstechnische Eigenschaften, wie z. B. Verarbeitbarkeit, Ablauf oder Verlauf, werden durch die “Thixotropie“ oder vielmehr durch das zeit- und scherbelastungsabhngige Flieverhalten des Lackes B55EB1B3E14C22109E91

37、8E8EA43EDB30F09DCDB7EF86D9NormCD - Stand 2013-08 DIN SPEC 91143-2:2012-09 6 beeinflusst, so dass nur eine genaue Kenntnis des rheologischen Verhaltens eine hohe Qualitt und Produktkonstanz gewhrleistet. Zur eindeutigen rheologischen Charakterisierung der eingesetzten Materialien mssen Fliekurven mit

38、 Rotationsviskosimetern aufgenommen werden, um die rheologischen Eigenschaften bei unterschiedlichen Scherbedingungen genau beschreiben zu knnen. Die Aufnahme einer Fliekurve erlaubt es, einen ersten berblick von dem untersuchten Material hinsichtlich seines Flieverhaltens zu bekommen (newtonsch, st

39、rukturviskos, thixotrop, usw.). Durch den zunehmenden Einsatz von wasserverdnnbaren Systemen bzw. Dispersionen, auch in Kombination mit Fllstoffen die zu einer Gerststruktur fhren knnen (Kartenhaus-Struktur“), sind verstrkt Flieanomalien wie Thixotropie oder auch viskoelastisches Verhalten zu beobac

40、hten. Dieses Verhalten beeinflusst die Verarbeitungs- und Applikationseigenschaften. Bei konventionellen lsemittelhaltigen Lacken wird normalerweise kein derartiges Verhalten beobachtet. Werden jedoch zur direkten Steuerung der rheologischen Eigenschaften Rheologieadditive eingesetzt, knnen auch dor

41、t Phnomene wie Thixotropie oder Viskoelastizitt auftreten. 5 Thixotropes Verhalten findet im Bereich der Beschichtungsstoffe ein breites Anwendungsspektrum, rheopexes Verhalten dagegen kommt in der praktischen Anwendung uerst selten vor. Im Folgenden sind Beispiele einiger Anwendungsbereiche angegeb

42、en, bei denen mit Hilfe der Thixotropie wichtige Materialeigenschaften charakterisiert werden knnen. Effektivitt von Rheologieadditiven bzw. Thixotropiehilfsmitteln; Ruhestrukturstrke (z. B. beim Anpumpverhalten); Nassschichtdicke nach dem Applizieren; Verlauf- und Ablaufverhalten (z. B. ohne Streic

43、hmarken oder Luferbildung); Ausrichtung von Effektpigmenten. 2 Ttigkeit des Arbeitskreises Im April 2005 hat der Arbeitskreis den DIN-Fachbericht 143 verffentlicht. Anschlieend hat er sich mit den verschiedenen Mglichkeiten zur Bestimmung der Thixotropie auseinandergesetzt und mit den favorisierten

44、Methoden einen Ringversuch durchgefhrt. 3 Messtechnische Bestimmung der Thixotropie 3.1 Messtechnische Voraussetzungen Im Folgenden sind alle im Moment gebruchlichen Methoden kurz beschrieben. Grundstzlich ist das thixotrope Verhalten abhngig von der Temperatur, dem Druck und der thermischen und mec

45、hanischen Vorgeschichte des Materials. Eine detaillierte Festlegung des Messprofils ist deshalb Voraussetzung fr reproduzierbare Messungen und vergleichbare Auswertungen; dies gilt besonders fr die Hhe der Scherbelastung (Scherraten, Schubspannungen, Scherdeformationen, Oszillationsfrequenzen), die

46、Dauer der einzelnen Messabschnitte und die Anzahl der Messpunkte. Thixotropie kann sowohl durch Rotations- als auch durch Oszillationsversuche bestimmt werden. Fr Rotationsversuche sind Gerte geeignet, die mit einem mechanischen Lager oder Luftlager ausgestattet sind. Fr Oszillationsversuche wird ein luftgelagertes Rheometer empfohlen. Es sollten ausschlielich Rheometer verwendet werden, die der Prfmittelberwachung unterliegen und regelmig kalibriert und gegebenenfalls