Flüssigfarben sind Stoffmischungen, die aus einem flüssigen Träger- und Bindemittel, Farbmitteln sowie Additiven bestehen. Typische Trägermittel sind Pflanzen- und Paraffinöle sowie Fettsäureester. Als Farbmittel können sowohl anorganische als auch organische Pigmente, aber auch Farbstoffe zum Einsatz kommen. Die in einer Flüssigfarbe verwendeten Additive dienen einerseits zu deren Herstellung (z. B. Netz- und Dispergieradditive, Entschäumer, Rheologieadditive) und können andererseits die Einarbeitung der Flüssigfarbe in den Kunststoff unterstützen. Darüber hinaus können der Flüssigfarbe gezielt Additive zugesetzt werden, um die Eigenschaften des Endprodukts, des eingefärbten Kunststoffbauteils, zu verbessern (z. B. Verbesserung der UV-Stabilität oder Flammschutz).
Für die Untersuchungen wird ein vereinfachtes Modellsystem ohne zusätzliche Additive verwendet. Das Modellsystem besteht aus einem Rapsöl als Träger mit Sorbitanfettsäureestern (Tween80-Span80-Gemisch) als Bindemittel und dem Schwarzpigment Ruß. Der Feststoff-Massenanteil der Rußpartikel beträgt in dem Modellsystem 15,5 %. Die Lagerung der Suspensionen erfolgte sowohl bei 20 °C (Raumtemperatur) als auch bei 40 °C für ein beschleunigtes Altern. Parallel werden Proben ohne Pigment gealtert und untersucht, um eine mögliche Änderung des Trägersystems zu erfassen.
Die rheologischen Untersuchungen werden zu unterschiedlichen Zeltpunkten (nach 0, 3, 9, 18, 36, 72 und 150 Tagen) der Lagerung durchgeführt. Vor den Untersuchungen werden die Proben zum einen mithilfe einer dualasymmetrischen Zentrifuge bei moderaten Geschwindigkeiten aufgerührt und homogenisiert. Zum anderen werden die bei 40 °C gelagerten Proben für mindestens 1 h bei Raumtemperatur an die Messtemperatur angepasst.
Die Proben werden mit Rotationsrheometern (Typ: Kinexus Prime ultra+ bzw. Kinexus pro+, Hersteller: Netzsch- Gerätebau GmbH) bei 20 °C charakterisiert. Vorversuche zeigten, dass Messungen mit Platte-Platte-Messgeometrien vergleichbare Ergebnisse für dieses Stoffsystem liefern, wie Messungen mit Konzentrischen-Zylinder-Messgeometrien. Alle Proben werden mit einer Platte-Platte-Messgeometrie rotationsrheologisch untersucht. Für die bei 40 °C gelagerten Proben werden zudem rheologische Messungen in Oszillation In Form von Frequenz-Sweeps durchgeführt. Hierfür wird die Konzentrische- Zylinder-Messgeometrie verwendet, da dies ermöglicht ein größeres Probenvolumen zu nutzen.
Während die rotationsrheologischen Untersuchungen grundsätzlich genutzt werden, um Änderungen des Materialverhaltens zu detektieren, werden bei den Frequenz-Sweeps Informationen über Änderungen des viskoelastischen Verhaltens gewonnen.
Bild 1 zeigt die bei ansteigender Scherrate gemessenen Viskositätskurven der bei Raumtemperatur gelagerten Suspensionen. Deutlich erkennbar ist eine abnehmende Scherviskosität mit ansteigender Scherrate, ein sogenanntes scherverdünnendes Verhalten. Da es sich bei den Flüssigfarben um Suspensionen handelt, richten sich beim Aufbringen einer Schubspannung bzw. einer Scherrate die darin enthaltenen Partikel in Richtung der Scherung im Messspalt aus und sorgen so für einen geringeren Strömungswiderstand. Weiterhin wird bei Scherraten unter 10 s-1 eine Abnahme der Scherviskosität mit zunehmender Lagerungsdauer beobachtet. Dies kann als Hinweis dafür gewertet werden, dass über die Lagerungsdauer ein Strukturabbau erfolgt. Ergänzend zu den gezeigten Messungen werden Rotations-Messungen an den Rapsöl-Tween-Span-Proben zu den jeweiligen Zeitpunkten durchgeführt. Der Vergleich mit den partikelfrei- en Proben über die Zeit zeigt zum einen ein Newtonsches Verhalten von diesen und zum anderen keine altersbedingte Änderung der Scherviskosität. Auch die Art der Lagerung (ob bei Raumtemperatur oder bei 40 °C) hat auf die gemessene Scherviskosität und den Fließkurvenverlauf keinen Einfluss bei den partikelfreien Proben. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass eine Änderung der Scherviskosität des Rapsöls nicht die Änderungen in der Scherviskosität der Suspensionen erklärt.
Mit zunehmender Beanspruchung (>10 s) nimmt aufgrund der allmählichen Anordnung der Partikel im Strömungsfeld der scherverdünnende Effekt ab, und der Anteil der Flüssigkomponente auf die Scherviskosität nimmt zu. Dadurch nimmt auch der Unterschied zwischen den Proben zu unterschiedlichen Zeitabschnitten (Alter) ab, und die Messkurven verlaufen tendenziell gleich.
Mithilfe der vorgestellten rheologischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Flüssigfarben ein scherverdünnendes Verhalten aufweisen. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass sich das Flie?verhalten der Rapsöl-Ruß-Suspensionen mit zunehmender Lagerungsdauer dahingehend ändert, dass eine Abnahme der Werte der untersuchten rheologischen Größen stattfindet. Diese Änderung wird sowohl in der Scherviskosität als auch im frequenz-abhängigen Speicher- und Verlustmodul beobachtet.
Durch das Erhöhen der Lagerungstemperatur konnte eine Beschleunigung der Alterung der Rapsöl-Ruß-Suspensionen beobachtet werden. Es ist jedoch zu beachten, dass aufgrund der erhöhten Temperatur andere Mechanismen des Alterns dominant sein können, was durch weiterführende Untersuchungen abzuklären ist. Der Fokus dieser Untersuchungen lag auf dem Charakterisieren der Rapsöl-Ru?-Suspensionen als solchen. Darüber hinaus ist es besonders aus Anwendersicht von Interesse, wie sich die Verarbeitbarkeit beim Spritz- gießen bei Raumtemperatur sowie bei 40 °C Temperatur gelagerter Flüssigfarben verändert und unterscheidet.
Die Untersuchungen wurden an einem Modellsystem vorgenommen. Es bleibt abschließend zu klären, ob für unterschiedliche Systeme von Flüssigfarben unterschiedliche Temperatur-Zeit- Abhängigkeiten beobachtet werden können, sodass unterschiedliche Temperaturen für ein forciertes Altern relevant sind. Gegebenenfalls können so auch Klassen an Flüssigfarben mit einem vergleichbaren Alterungsverhalten identifiziert werden. Gegenstand weiterer Untersuchungen sollte zudem sein, welche die maximale Temperatur ist, die für das Durchführen von forcierten Alterungsversuchen anwendbar ist.
