Viscositeit van pigmentpasta's in coatings: schuifkracht onder controle houden met keramische draaizuigerpompen
In een coatingfabriek lijkt het verplaatsen van pigmentpasta van de ene tank naar de andere het minst interessante deel van de dag. Het kan ook de reden zijn dat een batch uitkomt met een zwakke glans, een slechte dekking of een kleur die niet overeenkomt met de laatste run. De viscositeit van de pigmentpasta verschuift door afschuiving, en meestal begint de pomp met die verschuiving. Met andere woorden: overdrachtsapparatuur maakt deel uit van de formulering, ongeacht of iemand er zo mee omgaat of niet. Het bepaalt batch-tot-batchkleur, fijnheidsstabiliteit en thixotropie.
Pigmentdeeltjes moeten worden gedeagglomereerd, gedispergeerd en georiënteerd. Dispergeermiddelen omhullen de deeltjes en zorgen voor elektrostatische afstoting of sterische hindering. Dat laagje houdt de pasta stabiel. Het is niet onverwoestbaar. Duwafschuifsnelheden hoog genoeg-30.000 s⁻¹ is een gebruikelijke lijn in de industrie, en deeltjes die al gescheiden waren, kunnen weer aan elkaar klonteren, of de dispergeerlaag kan worden losgetrokken. De dispersiekwaliteit neemt af. Aan de pomp lijkt niets mis. De coating laat het later zien: minder glans, zwakkere dekking, een kleur die is verplaatst.
Centrifugaalpompen zijn meestal waar de problemen beginnen. Een snel-draaiende waaier heeft een hoge tipsnelheid, waardoor er een sterke afschuiving in de pasta ontstaat. Bij hetzelfde debiet produceert een centrifugaalpomp vaak afschuifsnelheden van meer dan 45.000 s⁻¹. Een lobbenpomp kan in de buurt van 12.000 s⁻¹ blijven. Bij pasta's boven de 5.000 mPa·s is een centrifugaalpomp niet alleen inefficiënt; het blijft afschuifenergie toevoegen die de pasta niet kan opnemen. Tandwielpompen zijn ook geen schoon antwoord. De ingrijpingsspeling creëert een plaatselijke afschuiving die de limiet van de pasta kan overschrijden.
Een keramische draaizuigerpomp werkt volgens een ander principe. Het is positieve verplaatsing. Twee lobben roteren synchroon en creëren een bewegende volumeverandering in de kamer. Het product wordt er doorheen geduwd, niet geslingerd. De lobben raken elkaar of de kamerwand nooit. De speling bedraagt gewoonlijk 0,1 tot 0,5 mm. De stroom door de kamer is zacht, zonder enige turbulentie aan de punt van het rotorblad. De lobbensnelheid is doorgaans 200 tot 500 tpm; een centrifugaalpomp kan ongeveer 2.900 tpm draaien. Het product blijft vrijwel laminair en de afschuifsnelheden kunnen rond de 10 tot 50 s⁻¹ worden gehouden. Centrifugaalpompen draaien gewoonlijk 1.000 tot 10.000 s⁻¹.
Afschuifsnelheid en schuifkracht zijn niet hetzelfde. De afschuifsnelheid is hoe snel de snelheidsgradiënt in de vloeistof verandert. Afschuifkracht is wat feitelijk op pigmentagglomeraten inwerkt. Een lage snelheid verlaagt de afschuifsnelheid, maar de echte bescherming komt van het lobbenprofiel. Ingewikkelde of cycloïdale vormen drukken het product geleidelijk samen in plaats van erop te slaan. Agglomeraten vervormen langzaam in plaats van plotseling te breken. Voor pasta die al is verspreid, is dat onderscheid van belang.
Keramiek helpt op een andere manier. Pigmentpasta met titaniumdioxide of ijzeroxide is schurend. Metalen pompen slijten, lobben en kamerwanden verliezen materiaal, openingen gaan open en het schuifgedrag verandert. Een keramische voering kan een Vickers-hardheid boven 1.600 HV bereiken. Het is drie tot vijf keer beter bestand tegen slijtage dan gietijzer met een hoog-chroomgehalte, en bij intensief gebruik gaat het vier tot zes keer langer mee dan een conventionele metalen pomp. Afschuifparameters blijven stabiel naarmate de pomp ouder wordt. Keramiek loogt ook geen metaalionen uit, wat van belang is bij coatings met een hoge-zuiverheid waarbij ijzerverontreiniging de pigmenttint kan veranderen of het systeem kan destabiliseren.
Opstart- en bedrijfsinstellingen zijn van belang, zelfs met een pomp met lage-shear. Pigmentpasta heeft vaak een hogere schijnbare viscositeit als hij stilstaat. Rechtstreeks op volle snelheid gaan, kan drukschommelingen in de kamer en een korte plaatselijke afschuifpiek veroorzaken. Een frequentieregelaar met een lineaire helling zorgt ervoor dat de snelheid langzaam toeneemt. Voor kleurpasta boven 5.000 mPa·s moet de topsnelheid rond de 200 tpm worden gehouden. De afvoerdruk moet ook in de gaten worden gehouden. Te veel tegendruk dwingt meer stroming door de lob-naar-kamerruimte, en de lokale afschuiving verergert.
Leidingen worden over het hoofd gezien. Plak de schaar gewoon door door de buis te stromen. Ellebogen, verloopstukken en kleppen creëren zones met hoge afschuifkrachten door de snelheid te veranderen. Een ingewikkelde afvoerleiding kan voor schuifkracht zorgen, zelfs als de pomp zacht draait. Rechte stukken en minder fittingen verlagen het risico.
Het verplaatsen van pigmentpasta is geen kwestie van 'als het beweegt, werkt het'. Viscositeit reageert op afschuiving, zodat overdrachtsapparatuur onderdeel wordt van de prestaties van het eindproduct. Een keramische lobbenpomp elimineert geen schuifkracht. Het houdt de schuifkracht binnen wat de pasta aankan, en de materialen en geometrie houden die controle in de loop van de tijd.
