Въведение
Полипропиленът (PP), като ключова пластмаса за широко приложение, се използва широко в автомобилната, опаковъчната, електронната, текстилната и други индустрии благодарение на отличните си механични свойства, химична устойчивост и технологични характеристики. Въпреки това, за да се оптимизира още повече преработката на PP материалите и да се подобри качеството и характеристиките на продукта, е от голямо практическо значение да се проведат задълбочени изследвания на реологичното поведение на PP.
Вискозитетът, като ключов показател за поведението на полимерния поток, е тясно свързан с преработката на материала. В различните производствени процеси PP трябва да тече и да приема форма в определени температурни диапазони. Следователно, точното разбиране на това как вискозитетът на PP варира с температурата позволява на инженерите да контролират прецизно параметрите на преработката, като осигуряват оптимална течливост и качество на формоването на PP по време на производството.
Капилярният реометър, реологичен измервателен уред от типа „ classic “, се използва широко в изследванията на полимерите поради способността му да измерва реологичните свойства на материалите в широк диапазон от скорости на срязване и температури. В настоящото проучване беше използван капилярен реометър Rosand RH10 на NETZSCH (фиг. 1) за систематично изследване на влиянието на температурата и скоростта на срязване върху вискозитета на разтопения полипропилен и енергията на активиране на вискозното течене на полипропилена. Резултатите предоставят теоретична основа за оптимизиране на параметрите на преработката на полипропилена, което в крайна сметка подобрява качеството и експлоатационните характеристики на продуктите от полипропилен.
Условия за измерване и метод на изпитване
Условията за измерване са подробно описани в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Уред | NETZSCH Rosand RH10 |
| Проби | PP |
Налягане преобразувател | 10 000 psi |
| Спецификация на матрицата | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Тестова температура | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Диапазон на скоростта на срязване | 10 – 10 000 s⁻¹ |
След като матриците бяха монтирани под левия цилиндър и след като се изчака стабилизирането на температурата, в цилиндъра бавно се добавиха гранули от полипропилен, налягането се повиши до 1 MPa, след което сместа се подложи на предварително нагряване при постоянна температура в продължение на 5 минути. Впоследствие уредът автоматично проведе изпитването, като приложи скоростта на срязване и записваше налягането.
Резултати от измерванията и обсъждане
На фигура 2 са представени кривите на срязващата вискозитет в зависимост от скоростта на срязване за проби от PP при различни температури. Както се вижда от фигура 2, срязващата вискозитет на пробите от PP при всички температурни условия постепенно намалява с увеличаване на скоростта на срязване, което показва типично поведение на срязващо разреждане. Това явление се дължи на факта, че разплитането на макромолекулярните вериги на PP се засилва при по-високи скорости на срязване, което води до бърз спад на вискозитета при срязване. При по-нататъшно увеличаване на скоростта на срязване обаче ефективността на срязващото напрежение при стимулирането на разплитането на макромолекулите намалява, което води до забавяне на тенденцията към намаляване на вискозитета при срязване.
Освен това срязващата вискозитет на пробите от PP намалява значително с повишаването на температурата при една и съща скорост на срязване. Това се дължи на факта, че с повишаването на температурата свободният обем на разтопения PP се увеличава, което повишава подвижността на верижните сегменти и намалява силата на междумолекулното взаимодействие, като по този начин подобрява течливостта на PP. Въпреки това разликата в стойностите на вискозитета при срязване при различни температури намалява забележимо, когато скоростта на срязване надвиши 500 s-1. Особено когато скоростта на срязване се увеличи до 5000 s⁻¹, кривите на вискозитета при срязване при различни температури имат тенденция да се припокриват, а тенденцията към намаляване на вискозитета при срязване се забавя. Това показва, че при скорост на срязване над критичната стойност чувствителността на срязващата вискозитет на PP към температурата намалява, което предполага разширен температурен диапазон за преработка на PP в рамките на този диапазон на скоростта на срязване.
Енергията на активиране на вискозното течение (Eη) е показател за чувствителността на привидната срязваща вискозитет на полимерната стопилка към температурата. По-висока стойност на Eη означава по-голяма чувствителност на вискозитета на стопилката към температурните колебания, докато по-ниска стойност предполага по-малка температурна зависимост. Eη може да се изчисли чрез уравнението на Аррениус (1):
където ηa е вискозитетът на разтопения материал; Eη е енергията на активиране на вискозното течение; R е газовата константа (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A е константа, независима от температурата.
Въз основа на данните, измерени на фигура 2, бяха изготвени и апроксимирани графики на lgηa в зависимост от 1/T. В резултат на това кривите на зависимостта lgηa ~1/T при различни скорости на срязване са представени на фигура 3, като конкретните стойности са изброени в таблица 2. Както е показано, Eη на PP при различни скорости на срязване може да бъде определено от наклоните на апроксимираните линейни криви на фигура 3, като конкретните стойности са изброени в таблица 2. Eη на PP намалява с увеличаване на скоростта на срязване в рамките на тествания температурен диапазон. Това показва, че срязващата вискозитет на разтопения PP е по-малко чувствителна към температурата при високи скорости на срязване. От гледна точка на молекулярната динамика това явление може да се обясни с факта, че външните срязващи сили нарушават преплитането между молекулите на PP, като по този начин намаляват чувствителността на срязващата вискозитет към температурата. Това се отразява в кривите на вискозитета (фигура 2), където кривите при различни температури почти се припокриват при високи скорости на срязване. Следователно повишаването на температурата се оказва по-малко ефективно за намаляване на срязващата вискозитет на разтопения ПП при високи скорости на срязване. За сметка на това при ниски скорости на срязване повишаването на температурата може значително да подобри течливостта на ПП, като по този начин се намалява енергопотреблението по време на преработката.
Таблица 2:Eη на PP при различни скорости на срязване
| Скорост на срязване (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10 000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Заключение
В настоящата приложна бележка бяха изследвани реологичните свойства на полипропилена (PP) при различни температури и скорости на срязване с помощта на капилярен реометър Rosand RH10. При относително ниски скорости на срязване (10 до 500 s⁻¹) срязващата вискозитет на PP намалява значително с увеличаването на скоростта на срязване, докато при високи скорости на срязване (500 до 10 000 s⁻¹) намаляването на срязващата вискозитет става по-постепенно. Освен това Eη на полипропилена намалява с нарастването на скоростта на срязване, което показва, че по-високите скорости на срязване ефективно намаляват температурната чувствителност на вискозитета на разтопения полипропилен.