أساسيات قياس الانسيابية الشعرية

"يدرس علم الريولوجيا تشوه وتدفق السوائل. [...] وتقليديًا، تُستخدم مقاييس الانسيابية الشعرية لقياس لزوجة القص ومرونة المواد اللزجة عند معدلات القص العالية. [...] وينبع الاهتمام بمعدلات القص العالية من نمط التشوه الذي تخضع له المادة في عمليات مثل البثق ونفخ الأغشية والقولبة بالحقن." [1]

تحدث استجابات المادة للتشوه أو البيئة نفسها فقط على نطاقات زمنية مختلفة. تستغرق بعض العمليات سنوات مثل الشيخوخة الفيزيائية والزحف. وتحدث عمليات أخرى في ثوانٍ أو أجزاء من الثانية، على سبيل المثال، سلوك الصدمات أو القص والاستطالة أثناء المعالجة مثل البثق والقولبة بالنفخ والقولبة بالحقن.

كلما كانت استجابة المادة أسرع، يجب أن يكون معدل التشوه أسرع. وهذا هو السبب أيضًا في أن مقاييس الانسيابية الدورانية ليست مناسبة لهذه العمليات. تم تصميم مبدأها الوظيفي لاكتشاف التغيرات على المستوى الجزيئي حتى التشوه المنخفض أو المتوسط. ومع ذلك، فإن مقاييس الانسيابية الشعرية تغطي الجانب الآخر من الطيف - العمليات التي تحدث على نطاق زمني سريع.

لماذا تحتاج إلى قياس الانسيابية الشعرية؟

في عملية القولبة بالحقن، على سبيل المثال، تؤثر لزوجة المادة وهندسة العداء والجزء نفسه على ملء القالب. ويؤثر هذان المتغيران بدورهما على معدلات القص وضغط الملء وطول التدفق وحتى قوة التثبيت اللازمة لإبقاء القالب مغلقًا.

ما البيانات التي يمكن الحصول عليها عن طريق مقياس الانسيابية الشعرية؟

لزوجة الذوبان

يمكن النظر إلى اللزوجة على أنها سيولة السائل، أو مدى مقاومته للتدفق. يتم التعبير عن اللزوجة، η، كنسبة إجهاد القص (القوة لكل وحدة مساحة) إلى معدل القص (معدل تغير إجهاد القص). [2]

سلوك معدل القص المرتفع

معدل القص هو المعدل الذي يتم عنده قص المائع أو تشويهه أثناء السريان. وبعبارة أكثر تقنية، هو المعدل الذي تتحرك به طبقات المائع بعضها فوق بعض. فإذا قام شخص ما بفرك طبقة رقيقة جداً من مرهم أو كريم أو غسول على الجلد بسرعة، على سبيل المثال، فإن معدل القص يكون أعلى بكثير مما لو تم ضغط هذه المادة ببطء خارج الأنبوب الخاص بها. [3]

الخصائص البسطية

يحدث التدفق الانبساطي عندما لا تكون المادة ملامسة للحدود الصلبة، كما هو الحال أثناء سحب الخيوط أو الألياف أو الأغشية أو الصفائح أو نفخ الفقاعات. التدفقات المتقاربة في مداخل القوالب هي أيضًا ذات طبيعة امتدادية. [4] تشمل الخصائص الانبساطية معدل الإجهاد الانبساطي واللزوجة الانبساطية.

الكسر الذائب (عدم استقرار التدفق)

يُعرَّف الكسر الذائب بأنه الظاهرة الناجمة عن إجهاد القص المفرط الذي يمارس على الراتنج المنصهر الذي يؤدي إلى خشونة في المادة المبثوقة. [5] وهو تأثير سطحي غير مرغوب فيه يمكن أن يؤثر أيضًا على خصائص الجزء. نظرًا لأنه يحدث عند ضغوط القص العالية للمادة قيد الفحص، يمكن تقليلها أو التخلص منها عن طريق تقليل الإنتاجية.

استرخاء الإجهاد (نسبي)

استرخاء الإجهاد هو انخفاض يعتمد على الوقت في الإجهاد تحت إجهاد ثابت. تتم دراسة هذا السلوك المميز للبوليمر من خلال تطبيق مقدار ثابت من التشوه على عينة وقياس الحمل المطلوب للحفاظ عليه كدالة للزمن. [6]

قوة الذوبان

يمكن وصف قوة الذوبان بأنها مقاومة ذوبان البوليمر للتمدد. ترتبط قوة الذوبان للمادة بتشابك السلسلة الجزيئية للبوليمر ومقاومته لفك التشابك تحت الإجهاد. وخصائص البوليمر التي تؤثر على مقاومة فك التشابك هي الوزن الجزيئي وتوزيع الوزن الجزيئي (MWD) والتفرع الجزيئي. مع زيادة كل خاصية من هذه الخصائص، تتحسن قوة الذوبان عند معدلات القص المنخفضة. [7] وهي خاصية مهمة لنجاح بثق المواد البلاستيكية [7].

انتفاخ القالب

يحدث انتفاخ القالب عندما تتدفق المادة من القالب الشعري. إحدى طرق تفسير انتفاخ القالب هي النظر في قدرة ذوبان البوليمر على تذكر تاريخ تدفقه. وتتمثل الفكرة في تخيل عنصر مائع يتحرك من الخزان إلى القالب الشعري كأسطوانة قصيرة سمينة يتم ضغطها في أسطوانة طويلة رفيعة. إذا كان زمن بقاء عنصر المائع في القالب أقصر من زمن تلاشي ذاكرته (زمن الاسترخاء)، فسيحاول العودة إلى شكله الأصلي وينتج تأثير انتفاخ القالب. [8]

سلوك pvT وقابلية الانضغاط

يدرس pvT العلاقة بين الضغط والحجم في المادة. كما يعطي مؤشرًا على مدى قابلية انضغاط ذوبان البوليمر. ونظرًا لأن البوليمرات تتم معالجتها في درجات حرارة وضغوط عالية، فإن العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة لها أهمية كبيرة.

لماذا تحتاج إلى بيانات مقياس الانسيابية الشعرية؟

أسباب أخرى لحاجتنا إلى بيانات مقياس الانسياب الشعري: قياس سلوك تدفق مادة ما لمراقبة الجودة وضمانها، أو إجراء دراسات المعالجة (الاعتماد على القص)، أو الحصول على معلمات نموذج الإدخال لمحاكاة التدفق. يمكننا دراسة التركيبات لتقييم تأثير الحشوات ومساعدات المعالجة ومعززات الإنتاج.

في الأسبوع المقبل، سنغطي مبدأ عمل مقياس الانسياب الشعري، وسنشرح منحنى تدفق اللزوجة المميز ونسلط الضوء على أهمية التصحيحات اللازمة.

اقرأ المقال هنا!

المصادر:

[1] Dao, T.T., Ye, A.X., Shaito, A.A., Roye, N., Hedman, K. (2009): قياس الريومترية الشعرية: تحليل السوائل منخفضة اللزوجة والسوائل اللزجة والذوبان عند معدلات القص العالية؛ تم الاسترجاع من: https://www.americanlaboratory.com/913-Technical-Articles/557-Capillary-Rheometry-Analysis-of-Low-Viscosity-Fluids-and-Viscous-Liquids-and-Melts-at-High-Shear-Rates/

[2] https://www.dc.engr.scu.edu/cmdoc/dg_doc/develop/process/physics/b3200002.htm

[3] موناي, د. (2017): ما هو معدل القص ولماذا هو مهم؟؛ مسترجع من: https://www.labcompare.com/10-Featured-Articles/338534-What-is-Shear-Rate-and-Why-is-it-Important/

[4] Shenoy, A.V. (1999): ريولوجيا أنظمة البوليمر المملوءة؛ تم الاسترجاع من: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-015-9213-0_9

[5] Ebnesjajjad, S. (2017): اللدائن الفلورية؛ تم الاسترجاع من: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/melt-fracture

[6] Ashter, S.A. (2014): التشكيل الحراري للرقائق أحادية ومتعددة الطبقات؛ تم الاسترجاع من: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stress-relaxation

[7] فرانكلاند، ج. (2013): البثق: أين البيانات؟ أهمية قوة الذوبان في البثق؛ تم الاسترجاع من: https://www.ptonline.com/articles/what-about-melt-strength

[8] Koopmans, R.J. (1999): Polypropylene; retrieved from: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-4421-6_22