Search

Characterizing Sedimentation in the Coatings Industry

In the coatings industry, the sedimentation of pigments and fillers has a significant impact on the properties of coatings at the point of use. Being able to accurately characterize sedimentation is crucial to the development of shelf-stable coatings – yet the majority of sedimentation testing is still carried out by visual inspection. In this article, we take a look at the fundamentals of sedimentation, why sedimentation is important in the coating industry, and how stability analyzers enable accurate optimization of coating formulations.

Sedimentation is the process by which solid particles, initially suspended in a liquid phase, settle to the bottom of a container over time. Sedimentation fundamentally occurs because of a difference in density between the two phases. Relatively dense solid particles will naturally sink to the bottom of a less dense fluid for the same reasons that a stone will sink to the bottom of a lake, or that airborne dust will eventually settle to the ground.

A basic description of sedimentation is given by Stokes’ Law, which considers spherical particles falling through a simple fluid. Stokes’ Law yields an equation for the speed (v) at which a solid particle will fall out of suspension:

v = (Δρ_p gd^2)/18η

In this equation, Δρ_p is the difference between the densities of the solid and liquid phases, g is the strength of gravity, d is the diameter of the particle in question and η is the viscosity of the liquid phase. This mathematical treatment tells us that the sedimentation rate depends on particle size, the viscosity of the liquid phase, and the difference in density between the solid and liquid phases: a stone sinks quickly in water, while construction dust can take minutes or hours to settle depending on particle size.

It is important to remember, though, that this model is just a first-order approximation. Sedimentation in paints, coatings, and other real-world products is much more complex, typically involving a concentration of particles of distributed sizes and shapes falling through complex fluids with viscoelastic properties.

Analiza Wielkości Cząstek - Przegląd produktu


Microtrac offers products for all particle size analysis technologies.

Sedimentation in coatings

The importance of sedimentation varies in different industrial products. In the coatings industry, pigments (non-soluble colorants) and fillers (functional additives) are prone to sedimentation, making them almost unusable.

On the plus side, sedimentation is often reversible, which means that solid particles can sometimes be redispersed after they’ve settled. For certain products, this is no problem – many medicines, drinks, and other household products simply instruct the user to “shake well before use.” This is enough to fully redisperse solid material without any significant inconvenience to the end-user.

However, in many coatings and other products, inter-particle bonding means that settled particles can sometimes form hard or rubbery sediment that can’t be redispersed. Even when redispersion is possible, coatings and paints generally require relatively high energy input to achieve this (mechanical stirring, for example).

Sedimentation can be minimized by decreasing the difference in density between solid and liquid phases, decreasing particle size, and increasing the viscosity of the liquid phase. Coatings commonly make use of rheology additives, too, which form 3D networks to support pigments and fillers and prevent them from falling out of suspension. Therefore, controlling sedimentation and redispersion characteristics is essential to the production of high-quality coatings.

Characterizing sedimentation

Aby skutecznie ograniczyć sedymentację i wytwarzać stabilne produkty, producenci muszą być w stanie dokładnie scharakteryzować te zachowania podczas opracowywania i wytwarzania produktu. Kontrola wizualna pozostaje najpowszechniejszą metodą testowania sedymentacji w branży. Niewątpliwie łatwe do wdrożenia, testy wizualne również nie wymagają praktycznie żadnych nakładów kapitałowych - jednak takie metody niezmiennie podlegają zgadywaniu i niedokładności. Oprócz niedokładności, proces ten może być również czasochłonny, ponieważ wszelkie zmiany muszą być widoczne dla oka, aby można je było wykryć. Technologia Turbiscan oferuje alternatywę. Oparte na statycznym wielokrotnym rozpraszaniu światła (SMLS), nasze analizatory stabilności zapewniają szybkie, dokładne i ilościowe pomiary sedymentacji i innych procesów destabilizacji powłok. Instrumenty te działają poprzez szybkie wysyłanie impulsów światła przez próbkę w odstępach 20 μm wzdłuż jej wysokości. Głowica odczytowa mierzy rozpraszanie wsteczne i transmisję w każdej pozycji, przy czym każda z tych wielkości odnosi się do stężenia i wielkości cząstek w danej pozycji. Powtarzając te pomiary w określonym przedziale czasu, systemy Turbiscan zapewniają niezrównany wgląd w zachowanie sedymentacji bez rozcieńczania lub naprężeń mechanicznych. Technologia Turbiscan może wykrywać sedymentację do 1000 razy szybciej niż gołym okiem - ale co ważniejsze, zapewnia precyzyjny, ilościowy profil rozkładu cząstek wzdłuż wysokości próbki w czasie. Ułatwia to producentom powłok szybkie uzyskanie użytecznych pomiarów zachowania sedymentacyjnego. Dla prostych porównań, Turbiscan Stability Index (TSI) sumuje wszystkie destabilizacje w jedną wartość. Wiele dodatkowych parametrów może być obliczanych automatycznie, aby zapewnić głębsze zrozumienie kinetyki sedymentacji w dowolnej próbce. Pomiary te umożliwiają producentom obiektywne określenie najlepszej strategii przezwyciężenia sedymentacji i innych procesów destabilizujących, poprawiając w ten sposób jakość powłoki i przyspieszając rozwój nowych stabilnych powłok. Microtrac produkuje pełną gamę systemów Turbiscan, odpowiednich do wszystkich zastosowań, od skali laboratoryjnej do wysokiej wydajności. Jeśli chcesz poprawić stabilność swoich powłok, skontaktuj się z nami już dziś.

Skontaktuj się z nami w celu uzyskania bezpłatnej konsultacji

Pomiar parametrów cząstek - Skontaktuj się z nami!

Ostatecznie wybór, czy użyć prostego rozwiązania przesiewania, czy też zainwestować w dyfrakcję laserową lub dynamiczną analizę obrazu, będzie zależał od ilości badań, dostępnego budżetu i personelu oraz wszelkich szczególnych norm międzynarodowych lub wymagań klienta, z którymi się Państwo stykają. Zachęcamy do kontaktu z Microtrac w celu bezpłatnej konsultacji, która pozwoli ustalić, jakie rozwiązanie zapewni optymalny wynik i zwrot z inwestycji.