مقدمة
يُستخدم البولي بروبيلين (PP)، باعتباره مادة بلاستيكية أساسية متعددة الاستخدامات، على نطاق واسع في صناعات السيارات والتعبئة والتغليف والإلكترونيات والمنسوجات وغيرها من الصناعات، وذلك بفضل خصائصه الميكانيكية الممتازة واستقراره الكيميائي وأدائه في المعالجة. ومع ذلك، من أجل تحسين معالجة مواد البولي بروبيلين (PP) بشكل أكبر وتعزيز جودة المنتج وأدائه، فإن إجراء دراسات متعمقة للسلوك الريولوجي للبولي بروبيلين (PP) يكتسب أهمية عملية كبيرة.
ترتبط اللزوجة، باعتبارها مؤشرًا حاسمًا لسلوك تدفق البوليمرات، ارتباطًا وثيقًا بمعالجة المواد. في عمليات التصنيع المختلفة، يجب أن يتدفق البولي بروبيلين ويتشكل ضمن نطاقات درجة حرارة محددة. لذلك، فإن الفهم الدقيق لكيفية تغير لزوجة البولي بروبيلين مع درجة الحرارة يمكّن المهندسين من التحكم بدقة في معلمات المعالجة، مما يضمن قابلية تدفق مثالية وجودة تشكيل مثالية للبولي بروبيلين أثناء الإنتاج.
يُستخدم مقياس اللزوجة الشعري، وهو جهاز اختبار الريولوجيا من شركة classic ، على نطاق واسع في أبحاث البوليمرات نظرًا لقدرته على قياس الخصائص الريولوجية للمواد عبر نطاق واسع من معدلات القص ودرجات الحرارة. في هذه الدراسة، تم استخدام مقياس اللزوجة الشعري Rosand RH10 من شركة NETZSCH (الشكل 1) لدراسة تأثير كل من درجة الحرارة ومعدل القص على لزوجة الذوبان وطاقة تنشيط التدفق اللزج للبولي بروبيلين (PP) بشكل منهجي. وتوفر النتائج أساسًا نظريًّا لتحسين معلمات معالجة البولي بروبيلين (PP)، مما يؤدي في النهاية إلى تعزيز جودة وأداء منتجات البولي بروبيلين (PP).
شروط القياس وطريقة الاختبار
ترد تفاصيل شروط القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| الجهاز | NETZSCH Rosand RH10 |
| العينات | PP |
مستشعر محول | 10000 psi |
| مواصفات القالب | L = 16 مم، D = 1 مم |
| درجة حرارة الاختبار | 180 درجة مئوية/190 درجة مئوية/200 درجة مئوية/210 درجة مئوية/220 درجة مئوية |
| نطاق معدل القص | 10 - 10000 ثانية⁻¹ |
بعد تركيب القوالب أسفل الأسطوانة اليسرى، والانتظار حتى تستقر درجة الحرارة، أُضيفت حبيبات البولي بروبيلين ببطء إلى الأسطوانة، ثم تم ضغطها إلى 1 ميجا باسكال، وبعد ذلك تم تسخينها مسبقًا عند درجة حرارة ثابتة لمدة 5 دقائق. بعد ذلك، أجرت الآلة الاختبار تلقائيًّا، حيث طبقت معدل القص وسجلت الضغط.
نتائج القياس والمناقشة
يعرض الشكل 2 منحنيات لزوجة القص مقابل معدل القص لعينات البولي بروبيلين (PP) عند درجات حرارة مختلفة. وكما يتضح من الشكل 2، تنخفض لزوجة القص لعينات البولي بروبيلين في جميع ظروف درجات الحرارة تدريجيًّا مع زيادة معدل القص، مما يدل على سلوك تخفيف القص النموذجي. تحدث هذه الظاهرة لأن فك تشابك سلاسل الجزيئات الكبيرة للبولي بروبيلين (PP) يزداد مع ارتفاع معدلات القص، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في اللزوجة القصية. ومع ذلك، مع زيادة معدل القص بشكل أكبر، تتضاءل فعالية إجهاد القص في تعزيز فك تشابك الجزيئات الكبيرة، مما يؤدي إلى إبطاء اتجاه انخفاض لزوجة القص.
علاوة على ذلك، تنخفض لزوجة القص لعينات البولي بروبيلين (PP) بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة عند معدل قص ثابت. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد الحجم الحر لمادة البولي بروبيلين المنصهرة، مما يعزز حركة أجزاء السلسلة، ويقلل من قوة التفاعل بين الجزيئات، وبالتالي يحسن قابلية تدفق البولي بروبيلين. ومع ذلك، فإن الفرق في قيم اللزوجة القصية عند درجات حرارة مختلفة يتناقص بشكل ملحوظ عندما يتجاوز معدل القص 500 s-1. وعلى وجه الخصوص، عند زيادة معدل القص إلى 5000 س-1، تميل منحنيات لزوجة القص عند درجات حرارة مختلفة إلى التداخل، ويصبح الاتجاه التنازلي للزوجة القص أبطأ. وهذا يشير إلى أنه عند تجاوز معدل قص حرج، تنخفض حساسية لزوجة القص للبولي بروبيلين (PP) تجاه درجة الحرارة، مما يشير إلى توسيع نطاق درجات حرارة المعالجة للبولي بروبيلين (PP) ضمن نطاق معدل القص هذا.
تعد طاقة تنشيط التدفق اللزج (Eη) مؤشرًا على حساسية اللزوجة القصية الظاهرية لمذيب البوليمر تجاه درجة الحرارة. تشير قيمة Eη الأعلى إلى حساسية أكبر للزوجة القصية تجاه التغيرات في درجة الحرارة، في حين تشير القيمة الأقل إلى انخفاض الاعتماد على درجة الحرارة. يمكن حساب Eη باستخدام معادلة أرهينيوس (1):
حيث ηa هي لزوجة المادة المنصهرة؛ وEη هي طاقة تنشيط التدفق اللزج؛ وR هو ثابت الغاز (8.314 جول·مول⁻¹·كلفن⁻¹)؛ وA هو ثابت لا يتأثر بدرجة الحرارة.
بناءً على البيانات المقاسة في الشكل 2، تم رسم منحنيات lgηa مقابل 1/T ومطابقتها. وبالتالي، تظهر منحنيات العلاقة بين lgηa و 1/T عند معدلات قص مختلفة في الشكل 3 مع القيم المحددة الواردة في الجدول 2. وكما هو موضح، يمكن تحديد Eη للبولي بروبيلين (PP) عند معدلات قص مختلفة من انحدارات المنحنيات الخطية المطابقة في الشكل 3، مع القيم المحددة الواردة في الجدول 2. تنخفض قيمة Eη للبولي بروبيلين (PP) مع زيادة معدل القص ضمن نطاق درجات الحرارة الذي تم اختباره. وهذا يشير إلى أن لزوجة القص لمادة البولي بروبيلين المنصهرة تكون أقل حساسية لدرجة الحرارة عند معدلات القص العالية. من منظور الديناميكا الجزيئية، يمكن تفسير هذه الظاهرة بحقيقة أن قوى القص الخارجية تكسر التشابك بين جزيئات البولي بروبيلين (PP)، مما يقلل من حساسية لزوجة القص لدرجة الحرارة. وينعكس ذلك في منحنيات اللزوجة (الشكل 2)، حيث تتداخل المنحنيات عند درجات حرارة مختلفة تقريبًا عند معدلات القص العالية. لذلك، يتبين أن زيادة درجة الحرارة أقل فعالية في تقليل لزوجة القص لمادة البولي بروبيلين المنصهرة عند معدلات القص العالية. في المقابل، عند معدلات القص المنخفضة، يمكن أن يؤدي رفع درجة الحرارة إلى تحسين قابلية تدفق مادة البولي بروبيلين بشكل ملحوظ، مما يقلل من استهلاك الطاقة أثناء المعالجة.
الجدول 2:قيمة Eη لمادة PP عند معدلات قص مختلفة
| معدل القص (s-1) | 10 | 21.5 | 46.4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10000 |
| Eη (كيلوجول/مول) | 62.6 | 51.4 | 44.4 | 39.2 | 34.2 | 28.9 | 27.1 | 26,3 | 26.2 | 23.5 |
الخلاصة
في مذكرة التطبيق هذه، تمت دراسة الخصائص الريولوجية للبولي بروبيلين (PP) عند درجات حرارة ومعدلات قص مختلفة باستخدام مقياس الريولوجيا الشعري Rosand RH10. عند معدلات القص المنخفضة نسبيًا (10 إلى 500 ثانية⁻¹)، تنخفض لزوجة القص للبولي بروبيلين (PP) بشكل ملحوظ مع زيادة معدل القص، بينما عند معدلات القص العالية (500 إلى 10000 ثانية⁻¹)، يصبح الانخفاض في لزوجة القص أكثر تدريجيًا. علاوة على ذلك، تنخفض قيمة Eη للبولي بروبيلين (PP) مع زيادة معدل القص، مما يشير إلى أن معدلات القص الأعلى تقلل بشكل فعال من حساسية لزوجة ذوبان البولي بروبيلين (PP) تجاه درجة الحرارة.