مقدمة
البثق والقولبة بالحقن والقولبة بالضغط كلها عمليات تعتمد على لزوجة المادة، أي مقاومتها للتدفق. ومع ذلك، لا تؤثر اللزوجة على المعالجة فحسب، بل تؤثر أيضًا على الخصائص الميكانيكية للمنتج النهائي. وعلى وجه الخصوص، ترتبط الكتلة الجزيئية واللزوجة ارتباطًا وثيقًا.
في ما يلي، يتم تصنيف ثلاث مواد مختلفة من نظرة خاطفة PEEK وفقًا لكتلتها الجزيئية باستخدام قياسات التذبذب على مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus.
شروط القياس
أُجريت قياسات التردد على ثلاث مواد، وهي PEEK 1 وPEEK 2 وPEEK 3. يجب أن يكون الإجهاد (أو الضغط) المطبق على العينة منخفضًا بما يكفي لعدم تدمير بنية العينة بحيث يتم إجراء القياس ضمن نطاق المرونة الخطية-الخطية (LVER). يُستخدم مسح السعة كقياس أولي لتحديد حد LVER. يوضح الجدول 1 شروط عمليات مسح السعة والتردد.
الجدول 1: شروط قياسات التذبذب
| مسح السعة | مسح التردد | |
|---|---|---|
| الجهاز | جهاز Kinexus ultra+ المزود بغرفة مسخنة كهربائياً | |
| الهندسة | PP25 (صفيحة لوحية، القطر: 25 مم) | |
| الفجوة | 500 ميكرومتر | 500 ميكرومتر |
| درجة الحرارة | 360°C | 360°C |
| إجهاد القص | 1 إلى 100% | - |
| إجهاد القص | - | 1,000 باسكال (نظرة خاطفة 1)، 500 باسكال (نظرة خاطفة 2 و3) |
| التردد | 1 هرتز | 10 إلى 0.01 هرتز |
| الغلاف الجوي | نيتروجين (1 لتر/دقيقة) | |
مسح السعة: تحديد نطاق اللزوجة الخطية المرنة LVER (نطاق اللزوجة الخطية المرنة)
يصور الشكل 1 المنحنيات الناتجة عن مسح السعة على PEEK 1 كدالة لإجهاد القص. بالنسبة لإجهادات القص التي تصل إلى حوالي 30% - وهو ما يقابل إجهاد قص يبلغ حوالي 10000 باسكال - يظل معامل القص المرن G´ ثابتًا، مما يشير إلى أن المادة تقع في LVER. ويُعزى الانخفاض في معامل G´ في إجهادات القص الأعلى إلى انهيار بنية العينة. بالنسبة لمسح التردد التالي، تم اختيار إجهاد قص مقداره 1000 باسكال.
مسح الترددات
يصور الشكل 2 منحنيات معامل القص المرن ومعامل القص المفقود بالإضافة إلى زاوية الطور أثناء مسح تردد مادة PEEK 1. في اتجاه الترددات المنخفضة، يهيمن معامل القص المفقود على معامل القص المرن، مما يؤدي إلى زاوية طور أعلى من 45 درجة مئوية. يتقاطع منحنى G' ومنحنى G" عند تردد 15 هرتز. هنا، تنتقل المادة من الحالة التي يهيمن عليها السائل، حيث يكون لدى سلاسل البوليمر وقت لفك التشابك (ترددات منخفضة)، إلى الحالة التي يهيمن عليها الصلب، حيث تكون السلاسل متشابكة وتتصرف مثل الشبكة (ترددات عالية).
بعض التعريفات
G*: معامل القص المركب
G': معامل القص التخزين، المساهمة المرنة في G*
G": معامل القص المفقود، المساهمة اللزجة في G*
δ: زاوية الطور
زاوية الطور δ (δ = G"G"/ G') هي مقياس نسبي للخصائص اللزوجة والمرونة للمادة. إذا كانت تتراوح من 0 درجة لمادة مرنة بالكامل إلى 90 درجة لمادة لزجة بالكامل.
يعرض الشكلان 3 و4 المسح الترددي لعينتي نظرة خاطفة 2 و3 في نفس الظروف. المنحنيات الناتجة لكلا المادتين متشابهة للغاية وتختلف عن العينة الأولى. أثناء القياس الكامل، يهيمن معامل القص اللزج (G") على معامل القص المرن (G'، مما يؤدي إلى زاوية طور (δ) أعلى من 45 درجة. في اتجاه الترددات المنخفضة، تزداد زاوية الطور لتصل إلى قيمتها القصوى تقريبًا وهي 90 درجة. وبعبارة أخرى، عند الترددات المنخفضة (أو المقاييس الطويلة)، تتصرف العينة مثل مائع لزج بحت تقريبًا دون أي خصائص مرنة. لم يتم اكتشاف أي تقاطع في نطاق التردد المقاس، ومع ذلك، من المحتمل أن يكون موجودًا عند الترددات الأعلى لأن منحنيات G´ و G" تميل نحو بعضها البعض مع زيادة الترددات. ترتبط الكتلة الجزيئية للبوليمرات بموضع التقاطع: كلما انخفض تردد التقاطع كلما زادت الكتلة الجزيئية.
في هذه الحالة، يكون لدى PEEK 1 كتلة جزيئية أعلى من PEEK 2 وPEEK 3. يختلف PEEK 2 وPEEK 3 في قيم معامل القص المرن. فهي أقل بالنسبة إلى PEEK 2 من PEEK 3 في نطاق التردد المقاس بأكمله (فرق أكثر من عقد واحد عند 0.01 هرتز). كما أن معامل القص المفقود في PEEK 2 أقل أيضًا من PEEK 3. وينتج عن ذلك صلابة أعلى في PEEK 3.
من هضبة لزوجة القص الصفرية إلى الكتلة الجزيئية
يقارن الشكل 5 اللزوجة المعقدة (η) لجميع العينات الثلاث. إن منحنيات PEEK 1 وPEEK 2 متوازية تقريبًا، وكلاهما يصل إلى هضبة نيوتونية في نطاق التردد المنخفض ويظهر سلوكًا مرققًا للقص عند الترددات الأعلى. يرتبط مستوى الهضبة النيوتونية بالكتلة الجزيئية للبوليمر: كلما زادت الكتلة الجزيئية، زادت اللزوجة الصفرية. [1]
في المقابل، تستمر اللزوجة المعقدة (η*) للعينة 1 في الزيادة مع انخفاض الترددات ولا تزال الهضبة النيوتونية غير متحققة عند تردد 0.01 هرتز. وعلاوة على ذلك، بالنسبة لنطاق التردد الكامل المقاس، تُظهر مادة نظرة خاطفة PEEK هذه لزوجة معقدة أعلى مع فارق أكثر من 1.5 عقدًا عن العينة 2 عند 0.01 هرتز.
من مستوى هضبة لزوجة القص لجميع العينات الثلاث، يمكن استنتاج أن نظرة خاطفة 1 ذات كتلة جزيئية أعلى، تليها نظرة خاطفة 2 ونظرة خاطفة 3، وهذا يؤكد النتائج التي تم الحصول عليها من خلال منحنيات G´ و G".
الخاتمة
تم توصيف السلوك الانسيابي لثلاث عينات من نظرة خاطفة من نظرة خاطفة باستخدام مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus. وتختلف هذه العينات في قيمة هضبة اللزوجة الصفرية القص من اللزوجة المعقدة. ويرجع ذلك إلى الاختلافات في الكتل الجزيئية للمواد.