البوليمرات ودرجة الحرارة - علاقة ساخنة

مقدمة

إن زمن استرخاء البوليمر ولزوجة القص وزمن التحلل كلها معلمات حاسمة لقابليته للمعالجة، وتتأثر هذه المعلمات الثلاثة بشدة بدرجة الحرارة. تقلل زيادة درجة الحرارة من لزوجة القص وزمن الاسترخاء، وتجعل المعالجة أسهل. ومع ذلك، فإنها تؤدي أيضًا إلى بدء الأكسدة وتسريع التدهور الحراري للمنتج. وعلاوة على ذلك، تتطلب إضافة المزيد من الحرارة استهلاك المزيد من الطاقة.

شروط القياس

في هذه المذكرة التطبيقية، يتم دراسة تأثير درجة الحرارة على لزوجة القص لمادة البولي بروبلين عن طريق قياس الانسيابية الدورانية. يلخص الجدول 1 شروط القياس.

الجدول 1: شروط الاختبار

نتائج القياس

يوضح الشكل 1 منحنيات لزوجة القص للمادة عند درجات حرارة مختلفة. لكل درجة حرارة، يكون للبوليمر هضبة لزوجة نيوتونية في نطاق معدل القص المنخفض. هنا، لا يكون معدل القص مرتفعًا بما يكفي ليؤدي إلى فك تشابك سلاسل البوليمر. أدت الزيادة في درجة الحرارة إلى انخفاض لزوجة القص من 1700 باسكال عند 190 درجة مئوية إلى 500 باسكال عند 230 درجة مئوية، أي انخفاض بأكثر من 3 درجات مئوية لتغير في درجة الحرارة بمقدار 40 درجة مئوية فقط!

يجب إيلاء عناية خاصة ليس فقط لدرجة الحرارة، ولكن أيضًا للغلاف الجوي. يقارن الشكل 2 بين منحنيات لزوجة القص التي تم الحصول عليها عند درجة حرارة 230 درجة مئوية في جو خامل (النيتروجين) وفي جو مؤكسد (الهواء). يرجع الانخفاض الواضح في لزوجة القص منذ بداية الاختبار تقريبًا تحت الهواء إلى أكسدة البوليمر.

تأثيرات القوة العادية

يبدو أن منحنيات لزوجة القص في الشكل 1 (المقاسة بالنيتروجين) تشير إلى أن اللزوجة تبدأ في الانخفاض بين 4 و10 ^ث-1 لجميع درجات الحرارة المدروسة. ومع ذلك، فإن إلقاء نظرة فاحصة على البيانات، وتحديدًا إجهاد القص (σ) وفرق الإجهاد العمودي الأول (N1) يُظهر أن N1 يتجاوز σ، عند معدلات القص التي تزيد عن 12 ^ث-1 (الشكل 3 الذي يوضح البيانات عند درجة حرارة 230 درجة مئوية). عندما يتجاوز N1 σ، قد لا تكون البيانات موثوقة بعد الآن.

ترجع هذه القوة العمودية العالية إلى تأثير فايسنبرج: عند معدلات القص المرتفعة، يدفع البوليمر لأعلى على الشكل الهندسي العلوي (ولأسفل على الجزء السفلي) لأن لزوجته التمددية تجعله يلتف حول المخروط، بحيث تزداد القوة العمودية بشكل مطرد. نظرًا لأن الفجوة تظل ثابتة، لا يمكن أن تتحرك الأشكال الهندسية عموديًا، وعندما تتجاوز القوة العمودية إجهاد القص الدوراني، تبدأ العينة في الخروج من الفجوة. بعد ذلك، نبدأ في رؤية انخفاض في N1.

القياس التذبذبي للبوليمرات

نظرًا لأن قياسات القص المستقر لذوبان البوليمر بين المخاريط والألواح المتوازية غالبًا ما تتسبب في كسر حافة العينة، يتم إجراء اختبارات اللزوجة لهذه المواد عادةً باستخدام قياس التذبذب. قاعدة كوكس-ميرز [1] هي علاقة تجريبية تنطبق على معظم عينات البوليمر غير المملوءة وتنص على أن لزوجة القص الثابتة عند معدل قص معروف ستكون مساوية لزوجة القص (المكون المركب) عند التردد الزاوي المكافئ (انظر الشكل 4). ولذلك، غالبًا ما تُستخدم اختبارات التذبذب في اختبارات قياس لزوجة ذوبان البوليمر. هناك طريقة أخرى لقياس لزوجة القص عند معدلات قص أعلى وهي استخدام مقياس الانسيابية الشعرية روزاند (انظر الشكل 5).

الخاتمة

كان مقياس الانسيابية الدورانية Kinexus قادرًا على التوصيف الدقيق للاعتماد على درجة حرارة لزوجة القص للبولي بروبيلين. كانت نتائج لزوجة القص الثابتة مقبولة بالنسبة لمعدلات القص المنخفضة، ولكن عند معدلات القص المنخفضة، ولكن عند القص المعتدل إلى المرتفع، تجاوز فرق الإجهاد العادي الأول N1 إجهاد القص مما تسبب في فشل الحافة. ومع ذلك، فإن قاعدة كوكس-ميرز تمكننا من توليد نفس قيم لزوجة القص الثابتة باستخدام اختبار التذبذب عند الترددات الأعلى. لذلك، يمكن استخدام اختبارات مسح تردد التذبذب بدلاً من اختبارات قياس اللزوجة لإنشاء منحنيات التدفق. تؤثر درجة الحرارة أيضًا على خواص اللزوجة المرنة للبوليمرات بحيث يمكن التنبؤ بالسلوك الانسيابي على نطاق تردد واسع جدًا باستخدام اختبارات أقصر بكثير باستخدام مبدأ التردد الزمني ودرجة الحرارة الفائقة.