Rheological aspects of the hardening of water-borne alkali silicate zinc-rich paints

Summary The kinetics of the reaction between zinc dust and alkali silicate in water-borne silicate zinc-rich paints was investigated on the basis of rheological measurements. The paints studied were formulated with the same zinc dust/silicate vehicle ratio. Different zinc dusts were employed. The vehicle was a litiumsodium silicate solution. Formulation included a rheological agent to prevent rapid settling of suspended zinc dust.Rheological tests were carried out at various time intervals after paint mixing. Each sample was subjected, stepwise, to increasing and decreasing shear rate sequences, each shear rate being applied until stress steady values were attained. Shear rates were within the range 2.35 to 1700 s^–1; subsequently, hysteresis cycles were traced. Equilibrium data were fitted with the Bingham equation.Yield values and ultimate viscosities obtained at the various test time intervals were compared. Both parameters were found to increase with increasing time after mixing. Their increase in time brings out the fact that two successive processes take place; accordingly, structural hypotheses were suggested taking into account the modification set up in the system by the zincsilicate reaction.

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Zusammenfassung Die Kinetik der Reaktion zwischen Zinkstaub und Alkalisilikat in wäßrigen Silikat-Zink-Farben wurde mit Hilfe rheologischer Messungen erforscht. Die untersuchten Farben wurden stets mit dem gleichen Verhältnis von Zinkstaub zu Silikat-Träger formuliert. Dabei wurden verschiedene Zinkstäube eingesetzt. Der Träger bestand aus einer Lithium-Natrium-Silikat-Lösung. In der Formulierung war außerdem ein rheologischer Wirkstoff, der das schnelle Absetzen des suspendierten Zinkstaubes verhindern sollte, enthalten.Die rheologischen Messungen wurden zu verschiedenen Zeiten nach dem Farbmischen durchgeführt. Jede Probe wurde einer auf- und absteigenden Stufenfolge von Schergeschwindigkeiten unterworfen, wobei die Scherung solange konstant gehalten wurde, bis sich ein stationärer Wert eingestellt hatte. Die Schergeschwindigkeiten lagen dabei in einem Bereich zwischen 2,35 und 1700 s^–1. Anschließend wurden Hysteresisschleifen aufgenommen.Die Gleichgewichtswerte ließen sich mit der Bingham-Gleichung beschreiben. Fließgrenzen und Endviskositäten, die nach verschiedenen Zeitdauern gemessen worden waren, wurden miteinander verglichen. Beide Parameter nahmen mit der Zeit zu. Daraus ist erkennbar, daß zwei aufeinanderfolgende Prozesse stattfinden. Dementsprechend werden Strukturmodelle vorgeschlagen, welche die Veränderungen in Rechnung stellen, die als Folge der Zink-Silikat-Reaktionen in dem System stattfinden.

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List of symbols shear rate - ÿ shear acceleration - _r relative viscosity - _R reduced viscosity - ₀ continuous phase viscosity - , _,0, _,t ultimate shear rate, at the beginning of the reaction, at timet - shear stress - _R reduced shear stress - ₀, _0,0, _0,t yield stress, at the beginning of the reaction, at timet - , _max disperse phase volume fraction, maximum volume fraction - a, a, a shift factor, viscosity shift factor, shear stress shift factor - a_1,, a_2, see eq. [4] - k₁,k₂ reaction rate constants - K_E see eq. [5] - t time - t_C characteristic timeAbbreviations MSD mean square deviation (=(_exp —_calc)²/(n — K);n = number of experimental points,K = number of parameters)Paper presented at the Joint Conference of the British, Italian and Netherlands Societies of Rheology, Amsterdam, April 18–20, 1979.With 6 figures and 3 tables