الريولوجيا الشعرية للبلاستيك الحراري: نظرة عامة

يمكن توصيف اللدائن الحرارية باستخدام مقياس الريومتر الدوراني Kinexus عندما يكون المطلوب هو الحصول على معلومات تتعلق بالبنية الجزيئية وكيفية تأثير ذلك على خصائص المعالجة. يمكن التحقق من ذلك باستخدام مقياس الريومتر الشعري من روزاند. اقرأ المزيد أدناه!

كيف يعمل مقياس الريومتر الشعري؟

تحتوي مقاييس الريومتر الشعرية عالية الضغط على برميل يتم التحكم في درجة حرارته يشتمل على واحد أو أكثر من التجاويف الدقيقة المزودة بقوالب شعرية عند المخرج. يتم تركيب محولات ضغط الذوبان فوق القوالب مباشرةً لتسجيل انخفاض الضغط أثناء بثق ذوبان البوليمر من خلال القوالب بمعدلات تدفق مبرمجة. وباستخدام القالب الشعري وقوالب "الفتحة" أو القالب "صفري الطول"، يمكن تحديد لزوجة القص والتمدد لذوبان البوليمر في وقت واحد مقابل معدلات القص والتمدد.

وتتوفر ملحقات إضافية لتسجيل انتفاخ القالب عن طريق مقياس المسح بالليزر و/أو قوة ذوبان البثق عن طريق تمرير خيط البوليمر عبر سلسلة من بكرات القضم التي يتم التحكم في سرعتها وتسجيل القوة (شد الذوبان) كدالة لسرعة السحب [1].

هل تريد أن ترى عرضًا حيًا لمقياس الريومتر الشعري من روزاند؟ شاهد الفيديو الخاص بنا هنا!

مقاييس الانسيابية الشعرية = معدلات القص الأعلى

بشكل عام، تُستخدم مقاييس الانسيابية الشعرية لقياس خواص الذوبان بمعدلات قص أعلى مقارنةً بمقاييس الانسيابية الدورانية، مما يسمح بتحديد سلوك التدفق في ظل ظروف المعالجة النموذجية. ومن الاعتبارات المهمة بشكل خاص القدرة على قياس الخواص التمددية (الاستطالة) بمعدلات تمدد أعلى مقارنةً بالتقنيات الأخرى، والأهم من ذلك، بمعدلات التمدد التي تتم مواجهتها على خط المعالجة.

يوضح الشكلان 1 و2 كلاً من بيانات القص والتمدد، وهو ما يوضح نقطة مهمة وغالبًا ما يتم إهمالها: قد يكون للبوليمرين سلوك تدفق قص متطابق تقريبًا، ولكن قد يُظهران خصائص تمدد مختلفة إلى حد كبير. كما لوحظ سابقًا، فإن العديد من عمليات البوليمر (غزل الألياف، والقولبة بالنفخ) هي في الأساس عمليات تمديدية وبالتالي فإن تحديد اللزوجة التمددية أكثر أهمية من قياس لزوجة القص [1].

فحص سلوك معالجة اللدائن الحرارية

بالإضافة إلى تحديد الخواص الريولوجية للمواد، غالبًا ما تُستخدم مقاييس الانسيابية الشعرية لفحص سلوك المعالجة: يتضمن مثالان تحديد مناطق عدم استقرار التدفق وقياس انزلاق الجدار أو الإجهاد الحرج.

عدم استقرار التدفق

ينتج عدم استقرار التدفق بشكل عام عن إجهاد الشد عندما يتدفق الذوبان من مقطع عرضي كبير إلى مقطع عرضي أصغر. إذا أصبح إجهاد الشد كبيرًا بما فيه الكفاية، يتكسر الذوبان. ويصبح تأثير الكسر الذائب أقل وضوحًا مع زيادة طول القالب وزيادة درجة حرارة القالب. تخفف زيادة طول القالب من تأثير تغيرات المقطع العرضي عند مدخل القالب، بينما تقلل زيادة درجة الحرارة من اللزوجة والإجهاد عند نفس معدل القص. في مقياس الانكسار الشعري، تظهر منطقة انكسار الذوبان في صورة تذبذب منتظم لإشارة ضغط الذوبان كما هو موضح أدناه. ينكسر الذوبان فعليًا ثم يتكسر ثم يعاد تشكيله، مع تأثير أن العناصر المتجاورة قد شهدت تواريخ تمدد مختلفة وبالتالي ستنتفخ بشكل مختلف عند الخروج من القالب [1].

حالة العصا

من الافتراضات الأساسية عند حساب الخواص الانسيابية باستخدام مقياس الانسيابية الشعرية أن المادة عند جدار القالب الشعري ثابتة - وهذا ما يسمى بحالة الالتصاق. في الممارسة العملية، ينحرف ذوبان البوليمر عن هذا الوضع عند إجهاد حرج وتتدفق المادة كمزيج من تدفق القص المتراكب على تدفق السدادة. يمكن تحليل انزلاق الجدار وتحديد الإجهاد الحرج في مقياس الانسياب الشعري عن طريق قياس منحنيات التدفق عند ضغط بثق ثابت (أي إجهاد قص ثابت) وعند نفس درجة الحرارة لثلاث مجموعات على الأقل من القوالب الشعرية بنفس نسبة الطول إلى القطر، ولكن مع اختلاف نصف قطر تجويف القالب (نهج موني). يساعد استخدام المعادلة 1 على كشف ما إذا كانت المادة البوليمرية عرضة لإظهار سلوك الانزلاق أثناء المعالجة.

بالنسبة للمادة التي لا تعاني من انزلاق الجدار (الشكل 4) سيتم توليد مقاطع إجهاد قص متطابقة مقابل معدل القص. في حالة حدوث انزلاق الجدار، (عند إجهاد القص الثابت) سينخفض معدل القص مع زيادة قطر القالب (انظر الشكل 4). ويسمح استخدام نهج موني على بيانات التدفق بتحديد سرعة الانزلاق، والتي تساوي الميل/4 وترتفع مع زيادة إجهاد القص (o) كما هو موضح في الشكل 4. علاوة على ذلك، يمكن الحصول على المعلومات المتعلقة بالإجهاد الحرج(o c) (الميل>0). وغالبًا ما تكون هذه المعلمات مطلوبة بواسطة حزم برمجيات ديناميكيات الموائع الحسابية إلى جانب بيانات القص واللزوجة التمددية للتنبؤ بتدفق الذوبان في القوالب وملامح البثق.

الخاتمة

تعد ريولوجيا ذوبان البوليمر موضوعًا معقدًا يتطلب تصميمًا تجريبيًا دقيقًا من أجل الحصول على المعلومات اللازمة لتلبية متطلبات الباحث.

يعمل مقياس الانسيابية الشعرية على توسيع نطاق معدل القص الذي يمكن تحقيقه في المختبر، بما يتجاوز ما هو متاح في أداة دورانية ويسمح بقياس خصائص التدفق في ظل ظروف المعالجة النموذجية. بالإضافة إلى ذلك، توفر القدرة على تحديد كل من خصائص القص والتمدد بسهولة في ظل ظروف التطبيق لمنتج البوليمر والمعالج معلومات حيوية للاستخدام الناجح لمصهور البوليمر. وأخيرًا، يتيح مقياس الانسياب الشعري إمكانية فحص مشاكل المعالجة في بيئة خاضعة للرقابة دون الحاجة إلى إيقاف الإنتاج في المصنع.

كتاب التطبيق الشعري الجديد متوفر!

استفد أيضًا من كتبنا التطبيقية الخاصة بعلم الريولوجيا الدورانية والشعرية وتعلم كيف يمكن تحديد خصائص تدفق المنتجات من خلال تحليلها الريولوجي.

يقدم الكتيب الشعري الجديد مقدمة للتقنية ومجال الموضوع، ويناقش أمثلة تطبيقية، ويوضح كيفية توصيف خصائص المواد الأساسية ويقدم قياسات باستخدام تقنيات متقدمة.

يمكن تنزيل كلا الكتابين مجانًا ويمكن تنزيلهما من هنا.

المصادر

[1] اختبار الانسيابية للبوليمرات وتحديد الخواص باستخدام مقاييس الانسيابية الدورانية ومقاييس الانسيابية الشعرية (azom.com)

[2] الأدبيات: مبادئ علم الريولوجيا وقياساتها وتطبيقاتها، كريستوفر دبليو ماكوسكو، ISBN: 1-56081-579-5.

شكرًا للدكتور بوب مارش (الموظف السابق في مالفيرن باناليتيكال) باعتباره المؤلف الأصلي لهذا المقال!