مقدمة
يُعد السلوك الريولوجي لمخاليط البوليمرات المنصهرة الأساس لعملية التشكيل والمعالجة. وباستخدام مقياس الريولوجيا الشعري، يمكن اختبار التغيرات في لزوجة مخاليط البوليمرات المنصهرة عند درجات حرارة ومعدلات قص مختلفة، كما يمكن التنبؤ بسلوك معالجة البوليمرات بشكل فعال، مما يوفر أساسًا علميًا قويًا لمعالجة المواد البوليمرية ومراقبة جودتها.
عادةً ما تُختبر الخصائص الريولوجية لمواد البوليمر باستخدام نظام أحادي الأسطوانة، وهو ما يستغرق وقتًا طويلاً لاختبار أنواع أو دفعات مختلفة من عينات البوليمر في ظل ظروف متنوعة. لذلك، ومن أجل تحسين كفاءة الاختبار، تتمثل إحدى الطرق التي أثبتت فعاليتها في استخدام مقياس اللزوجة الشعري ثنائي الأسطوانة لاختبار عينتين في وقت واحد، مما يقلل بشكل فعال من وقت الانتظار اللازم لاستقرار درجة الحرارة بين الاختبارات. في هذا العمل، تم تحليل جدوى الاختبار ثنائي الأسطوانة من خلال إجراء سلسلة اختبارات على البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) باستخدام مقياس الريولوجيا الشعري ثنائي الأسطوانة Rosand RH10 من شركة NETZSCH (الشكل 1).
شروط القياس وطريقة الاختبار
ترد تفاصيل ظروف القياس في الجدول 1. بعد تركيب القوالب أسفل الأسطوانتين اليمنى واليسرى وتثبيت درجة الحرارة عند 200 ± 0.1 درجة مئوية، أُضيفت جزيئات البولي إيثيلين (PE) أو البولي بروبيلين (PP) ببطء إلى الأسطوانتين اليمنى واليسرى بالتناوب، ثم ضُغطت إلى 1 ميجا باسكال، وبعد ذلك تم تسخينها مسبقًا عند درجة حرارة ثابتة لمدة 8 دقائق. وبدأت عملية القياس بعد خطوة الضغط هذه.
الجدول 1: شروط القياس
| الجهاز | NETZSCH Rosand RH10 |
| العينات | PE، PP |
الضغط محول | 10,000 psi و 5,000 psi |
| مواصفات القالب | L = 16 مم، D = 1 مم |
| درجة حرارة الاختبار | 200 درجة مئوية |
| نطاق معدل القص | 10 ~ 10000 ثانية⁻¹ |
نتائج القياس والمناقشة
يوضح الشكل 2 منحنيات لزوجة القص لنفس مادة البولي إيثيلين (PE) التي تم اختبارها عند درجة حرارة 200 درجة مئوية ومعدلات دوران تتراوح بين 10 و10,000 دورة في الثانية باستخدام أسطوانتين، حيث استُخدمت الأسطوانتان اليمنى واليسرى مع قالب بنسبة الطول إلى القطر (L/D) تبلغ 16/1، ومحولات ضغط بقيمة 10,000 psi و5,000 psi، على التوالي.
ترد بيانات الاختبار وقيم الانحراف في الجدول 2. وكما يتضح من الشكل 2، تُظهر منحنيات اللزوجة القصية التي تم اختبارها باستخدام الأسطوانتين اليسرى واليمنى قابلية تكرار جيدة جدًّا. علاوة على ذلك، وكما هو موضح في الجدول 2، فإن الانحرافات في قيم اللزوجة القصية التي تم الحصول عليها عند معدلات قص مختلفة تقل عن 1٪. وبالتالي، يمكن الحصول على نتائج دقيقة من خلال إجراء الاختبار باستخدام كل من الأسطوانة اليسرى والأسطوانة اليمنى.
الجدول 2: بيانات الاختبار وانحراف البولي إيثيلين في الأسطوانتين اليمنى واليسرى عند 200 درجة مئوية
| معدل القص (s⁻¹) | لزوجة القص (با.ث) | القيمة المتوسطة (با·ث) | الانحراف (%) | |
| البرميل الأيسر | البرميل الأيمن | |||
| 10 | 2259.40 | 2241.22 | 2250.31 | 0.40 |
| 21.5 | 1583.38 | 1558.92 | 1571.15 | 0.78 |
| 46.42 | 1079.93 | 1059.68 | 1069.81 | 0.95 |
| 100 | 727.73 | 716.45 | 722.09 | 0.78 |
| 215.32 | 493.07 | 492.14 | 492.61 | 0.09 |
| 464.63 | 308.37 | 305.36 | 306.86 | 0.49 |
| 999.96 | 188.81 | 189.83 | 189.32 | -0.27 |
| 2155.44 | 114.09 | 114.57 | 114.33 | -0.21 |
| 4642.62 | 68.74 | 68.74 | 68.74 | 0.01 |
| 10001.14 | 41.09 | 40.92 | 41.01 | 0.20 |
يوضح الشكل 3 منحنيات اللزوجة الظاهرية للقص لكل من البولي إيثيلين (PE) (البرميل الأيسر، باللون الأسود) والبولي بروبيلين (PP) (البرميل الأيمن، باللون الأحمر)، التي تم اختبارها باستخدام نظام الأسطوانتين عند درجة حرارة 200 درجة مئوية ومعدل قص يتراوح بين 50 و3000 س-1، حيث تم استخدام الأسطوانتين اليسرى واليمنى مع قالب بنسبة L/D تبلغ 16/1، ومحولات ضغط تبلغ 10000 psi و5000 psi على التوالي. وكما يتضح من الشكل 3، فإن لزوجة القص لـ PP أقل بكثير من تلك الخاصة بمادة PE عند نفس معدل القص. وبالتالي، فإن اختبار الأسطوانتين لا يقتصر على الحصول على بيانات لزوجة القص للمادتين في آن واحد فحسب، بل يتيح أيضًا المقارنة المباشرة بين لزوجتي المادتين فور انتهاء الاختبار.
اللزوجة القصية هي إحدى خصائص المادة التي تصف مدى مقاومة السائل للتشوه تحت تأثير القص.
اللزوجة الظاهرية للقص هي قيمة اللزوجة التي يتم ملاحظتها أو حسابها عند معدل قص محدد، خاصةً بالنسبة للسوائل التي تتغير لزوجتها مع تغير ظروف التدفق.
يتيح مقياس اللزوجة الشعري من Rosand ذو التجويف المزدوج إجراء تصحيحات للسلوك غير النيوتوني وتأثيرات المدخل من أجل التحديد المباشر للزوجة القصية.
الخلاصة
في هذا العمل، تم اختبار الخصائص الريولوجية لمواد البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) في ظل ظروف مختلفة باستخدام جهاز Rosand RH10 من شركة « NETZSCH ». وبالنسبة للمادة نفسها، يمكن الحصول على نتائج اختبار دقيقة للغاية سواء باستخدام الأسطوانة اليسرى أو اليمنى. وعند اختبار مواد مختلفة باستخدام نظام الأسطوانتين، لا يقتصر الأمر على تحسين كفاءة الاختبار وتقليل وقت الاختبار بشكل فعال فحسب، بل يمكن أيضًا إجراء مقارنة بديهية للغاية لنتائج الاختبار في نهاية الاختبار.