مقدمة
يمكن لمقياس الانسيابية الدورانية إجراء قياسات تحت معدلات قص أو إجهادات محددة في كل من قياس اللزوجة (حيث تدور اللوحة العلوية) وفي التذبذب (حيث تتأرجح اللوحة العلوية بتردد محدد). في حين أن لزوجة القص غالبًا ما تكون النتيجة الأكثر شيوعًا المطلوبة من تجربة الدوران، فإن اختبار التذبذب يقدم معلومات حول الخصائص اللزوجة المرنة للعينة، وخاصة اللزوجة المعقدة (ŋ*) التي يتم الحصول عليها من الصلابة المعقدة (G*)[1].
في ما يلي، تم قياس البولي بروبلين باستخدام كل من قياس اللزوجة والتذبذب وتمت مقارنة لزوجة القص (ŋ) مع لزوجته المعقدة (ŋ*).
الجدول 1: معلمات اختبار قياس الدوران
| الجهاز | كينيكسوس ألترا+ مع حجرة مسخنة كهربائيًا | |
| الهندسة | CP2/20 (صفيحة مخروطية، الزاوية: 2 درجة، القطر: 20 مم) | |
| درجة الحرارة | 190 درجة مئوية (حوالي 30 درجة مئوية فوق درجة حرارة الانصهار) | |
| فجوة القياس | 66 ميكرومتر | |
| معدلات القص (-γ) | 0.01 إلى 10 ث-1 | |
قياس الدوران على البولي بروبلين
تم إجراء قياس دوراني على كريات البولي بروبلين باستخدام مقياس الانسيابية NETZSCH Kinexus ultra+. يوضح الجدول 1 تفاصيل شروط القياس.
يعرض الشكل 1 المنحنيات الناتجة لإجهاد القص (σ، باللون الأخضر) ولزوجة القص (ŋ، باللون الأزرق) لمعدلات القص المبرمجة. في نطاق معدل القص المنخفض، تكون الزيادة في إجهاد القص مع زيادة معدلات القص خطية ولزوجة القص ثابتة تقريبًا: هذه هي الهضبة النيوتونية للمادة.
حوالي 0.1 ث-1، تبدأ لزوجة القص في الانخفاض مع زيادة معدلات القص. يتغير الميل؛ وهذا مؤشر على سلوك ترقق القص الأكثر وضوحًا. ومع ذلك، تُظهر نظرة على منحنى الحالة المستقرة (وهو مؤشر على التدفق المستقل زمنيًا داخل العينة، الشكل 2، أسود) أنه فوق معدل القص هذا، لم يعد التدفق مستقلاً زمنيًا. يتم التأكد من أن القياس يؤدي إلى قيم لزوجة القص الصحيحة من خلال التحقق من قيم التدفق المستقر: فهي تساوي 1 للسريان الصفحي المستقل زمنيًا. هنا، تثبت زيادة المنحنى أن قيم لزوجة القص المعروضة لم تعد موثوقة في العقد الأخير.
من أين يأتي هذا السلوك؟ تقدم نظرة على الشكل 3 الإجابة. بالإضافة إلى لزوجة القص (باللون الأزرق)، يتم رسم إجهاد القص (باللون الأخضر) مع فرق الإجهاد العمودي الأول (N1، باللون الأحمر). تنتج الزيادة القوية في فرق الإجهاد العمودي الأول، N1، على الأرجح من تأثير فايسنبرغ: تهيمن الخواص المرنة للعينة على الخواص اللزجة. تحاول العينة دفع الهندسة العلوية لأعلى (وهذا غير ممكن لأن فجوة القياس تظل ثابتة أثناء القياس). ويبرز هذا التأثير من خلال منحنى N1 الذي يتجاوز منحنى إجهاد القص.
كيفية الحصول على قيم لزوجة القص: قاعدة كوكس-ميرز
في مثل هذه الحالات، حيث لا يمكن تقييم منحنى لزوجة القص بشكل صحيح، تكون قاعدة كوكس-ميرز [2] مفيدة للغاية. وهي علاقة تجريبية تنص على أنه بالنسبة لمعظم ذوبان البوليمر، فإن لزوجة القص (η) كدالة لمعدل القص (-γ [s-1]) تساوي اللزوجة المعقدة (η* [Pa-s]) كدالة للتردد الزاوي (ω [rad/s]). يتم الحصول على هذا المنحنى الثاني من خلال قياس التذبذب الذي يتغير فيه التردد (مسح التردد).
أولاً، يتم إجراء مسح للسعة من أجل تحديد الإجهاد الذي سيتم استخدامه أثناء مسح التردد. يجب أن يكون التشوه المطبق على البوليمر منخفضًا بما يكفي لكي لا يؤدي إلى انهيار بنية العينة. وبعبارة أخرى، يجب أن يكون الانفعال المختار في نطاق اللزوجة المرنة الخطية (LVER) للعينة، حيث يرتبط الانفعال والإجهاد بعلاقة خطية.
يوضح الجدول 2 تفاصيل شروط قياسات التذبذب التي أجريت على البولي بروبلين.
ويعرض الشكل 4 المنحنيات الناتجة لمعاملات المرونة والفقد وزاوية الطور كدالة للتشوه (الشكل 4أ) وإجهاد القص المقابل (الشكل 4ب). في بداية القياس، تظل المعادلات المرنة واللزوجة ثابتة: وهذا يشير إلى أن التشوه المطبق لا يدمر بنية العينة. ومع ذلك، بدءًا من إجهاد القص بنسبة 20%، تؤدي الزيادة في السعة إلى انخفاض في كلا المعيارين، بينما تزداد زاوية الطور. ووفقًا للمواصفة القياسية ISO 6721-10، يتم تحديد نهاية LVER عند السعة التي تؤدي إلى انخفاض بنسبة 5% في قيمة G´. في هذه الحالة، يتوافق مع قيمة 32%.
الجدول 2: معلمات اختبار قياسات التذبذب
مسح السعة | مسح التردد | |
| الجهاز | Kinexus ultra+ مع حجرة مسخنة كهربائيًا | |
| الهندسة | PP25 (صفيحة لوحية، القطر: 25 مم) | PP25 |
| درجة الحرارة | 190 درجة مئوية (حوالي 30 درجة مئوية فوق درجة حرارة الانصهار) | |
| فجوة القياس | 1 مم | 1 مم |
| التردد | 1 هرتز | 10-3 إلى 10 هرتز |
| إجهاد القص (γ*) | 1 إلى 100% | - |
| إجهاد القص (σ*) | - | 1,000 باسكال |
يمكن أيضًا عرض المنحنيات التي تم الحصول عليها أثناء مسح السعة كدالة لإجهاد القص (الشكل 4 ب). بالنسبة لمسح التردد اللاحق، تم تطبيق إجهاد قص قدره 1000 باسكال على العينة.
يوضح الشكل 5 لزوجة القص من قياس الدوران (الأزرق) إلى جانب اللزوجة المعقدة من مسح التردد (البرتقالي). يتوافق كلا المنحنيين بشكل جيد بين 10-2 و2 راد/ثانية. هذا يؤكد الاستنتاج تمت مقارنة لزوجة القص واللزوجة المعقدة لذوبان البولي بروبلين عن طريق القياس الدوراني وقياس التذبذب. طالما يمكن تطبيق تدفق ثابت على البوليمر، يمكن إثبات وجود اتفاق جيد بين لزوجة القص واللزوجة المعقدة. هذا السلوك متوقع من قاعدة كوكس-ميرز. بالنسبة لمعدلات القص الأعلى، حيث يحدث عدم استقرار التدفق، لا يمكن الوصول إلى تدفق ثابت. هنا، تكون قاعدة كوكس-ميرز ذات فائدة كبيرة لأنها تكشف عن معرفة لزوجة القص باستخدام اللزوجة المعقدة. لزوجة القص (η، باللون الأزرق) واللزوجة المعقدة (η*، باللون البرتقالي) أثناء قياسات الدوران والتذبذب على ذوبان البولي بروبيلين المنصهر 5 النتائج التي تمت مناقشتها أعلاه: إن عدم استقرار التدفق الذي يحدث عند معدلات القص الأعلى يمنع التدفق من أن يكون التدفق مستقلًا عن الزمن. وبالتالي، لا يمكن الحصول على نتائج موثوقة بالقياس الدوراني. ومع ذلك، يسمح تطبيق Cox-Merz بتحديد لزوجة القص في الحالة المستقرة بسهولة: يحتاج المرء فقط إلى الحصول على اللزوجة المعقدة كدالة للتردد الزاوي بعد إجراء قياس التذبذب.
الخاتمة
تمت مقارنة لزوجة القص واللزوجة المعقدة لذوبان البولي بروبلين عن طريق قياس الدوران والتذبذب. طالما يمكن تطبيق تدفق ثابت على البوليمر، يمكن إثبات وجود اتفاق جيد بين لزوجة القص واللزوجة المعقدة. هذا السلوك متوقع من قاعدة كوكس-ميرز. بالنسبة لمعدلات القص الأعلى، حيث يحدث عدم استقرار التدفق، لا يمكن الوصول إلى تدفق ثابت. هنا، تكون قاعدة كوكس-ميرز ذات فائدة كبيرة لأنها تكشف عن معرفة لزوجة القص باستخدام اللزوجة المعقدة.