Въведение
Ротационният реометър може да извършва измервания при определени скорости на срязване или напрежения както при вискометрия (когато горната плоча се върти), така и при осцилация (когато горната плоча осцилира с определена честота). Въпреки че вискозитетът при срязване често е най-често търсеният резултат от ротационния експеримент, тестът с осцилация предоставя информация за вискоеластичните свойства на пробата, по-специално за нейния комплексен вискозитет (ŋ*), получен от нейната комплексна твърдост (G*)[1].
По-долу полипропиленът е измерен както чрез вискозиметрично, така и чрез осцилационно изпитване, а вискозитетът на срязване (ŋ) е сравнен с неговия комплексен вискозитет (ŋ*).
Таблица 1: Изпитвателни параметри на ротационното измерване
| Устройство | Kinexus ultra+ с електрически нагрявана камера | |
| Геометрия | CP2/20 (конусна плоча, ъгъл: 2°, диаметър: 20 mm) | |
| Температура | 190°C (приблизително 30°C над температурата на топене) | |
| Междина за измерване | 66 μm | |
| Скорост на срязване (-γ) | 0.01 до 10 s-1 | |
Измерване на ротацията на полипропилен
Извършено е ротационно измерване на полипропиленови гранули с помощта на реометъра NETZSCH Kinexus ultra+. В таблица 1 са описани условията на измерване.
На фигура 1 са показани получените криви на напрежението на срязване (σ, зелено) и вискозитета на срязване (ŋ, синьо) за програмираните скорости на срязване. В диапазона на ниските скорости на срязване нарастването на напрежението на срязване с увеличаване на скоростите на срязване е линейно, а вискозитетът на срязване е почти постоянен: това е Нютоновото плато на материала.
Около 0,1 s-1 вискозитетът на срязване започва да намалява с увеличаване на скоростта на срязване. Наклонът се променя; това е индикация за по-ясно изразено поведение на срязване и разреждане. Въпреки това, погледът към кривата на стационарното състояние (която е индикация за времево независим поток в пробата, фигура 2, черно) показва, че над тази скорост на срязване потокът вече не е времево независим. Гарантира се, че измерването води до правилни стойности на вискозитета при срязване, като се проверяват стойностите на устойчивия поток: Те са равни на 1 за ламинарен, независим от времето поток. Тук нарастването на кривата доказва, че показаните стойности на вискозитета на срязване вече не са надеждни през последното десетилетие.
Откъде идва това поведение? Един поглед към фигура 3 дава отговор. В допълнение към вискозитета на срязване (синьо) е нанесено напрежението на срязване (зелено) заедно с първата разлика на нормалното напрежение (N1, червено). Силното нарастване на първата разлика в нормалните напрежения, N1, най-вероятно е резултат от ефекта на Вайсенберг: Еластичните свойства на образеца доминират над вискозните свойства. Пробата се опитва да избута нагоре горната геометрия (това не е възможно, тъй като измервателната междина остава постоянна по време на измерването). Този ефект се подчертава от кривата N1, която превишава кривата на напрежението на срязване.
Как се получават стойности на вискозитета на срязване: Правилото на Кокс-Мерц
В такива случаи, когато кривата на вискозитета на срязване не може да бъде оценена правилно, правилото на Кокс-Мерц [2] е много полезно. Това е емпирична зависимост, според която за повечето полимерни стопилки вискозитетът на срязване (η) като функция на скоростта на срязване (-γ [s-1]) е равен на комплексния вискозитет (η* [Pa-s]) като функция на ъгловата честота (ω [rad/s]). Тази втора крива се получава чрез измерване на осцилации, при което честотата се променя (честотна осцилация).
Първо се извършва амплитудно измерване, за да се определи деформацията, която ще се използва по време на честотното измерване. Деформацията, приложена върху полимера, трябва да бъде достатъчно ниска, за да не доведе до разрушаване на структурата на образеца. С други думи, избраната деформация трябва да бъде в линейния вискоеластичен диапазон (Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER) на образеца, където деформацията и напрежението са свързани с линейна зависимост.
В таблица 2 подробно са описани условията на осцилационните измервания, извършени върху полипропилен.
На фигура 4 са показани получените криви на модулите на еластичност, модулите на загуба и фазовия ъгъл като функция на деформацията (фигура 4А) и съответното напрежение на срязване (фигура 4Б). В началото на измерването еластичният и вискозитетният модул остават постоянни: това показва, че приложената деформация не разрушава структурата на образеца. От деформация на срязване от 20 % обаче увеличаването на амплитудата води до намаляване на двата модула, докато фазовият ъгъл се увеличава. В съответствие с ISO 6721-10 краят на Линейна вискоеластична област (LVER)При LVER приложените напрежения са недостатъчни, за да предизвикат структурно разрушаване (поддаване) на конструкцията, и следователно се измерват важни микроструктурни свойства.LVER се определя при амплитудата, водеща до намаляване на стойността на G´ с 5 %. В този случай това съответства на стойност от 32 %.
Таблица 2: Изпитвателни параметри на измерванията на трептенията
Амплитуден размах | Честотен размах | |
| Устройство | Kinexus ultra+ с електрически нагрявана камера | |
| Геометрия | PP25 (плоча-плоча, диаметър: 25 mm) | PP25 |
| Температура | 190°C (приблизително 30°C над температурата на топене) | |
| Междина за измерване | 1 mm | 1 мм |
| Честота | 1 Hz | 10-3 до 10 Hz |
| Деформация при срязване (γ*) | 1 до 100% | - |
| Напрежение на срязване (σ*) | - | 1,000 Pa |
Кривите, получени по време на амплитудното преливане, могат да бъдат показани и като функция на напрежението на срязване (Фигура 4Б). За последващото честотно измерване към образеца е приложено напрежение на срязване от 1000 Pa.
На фигура 5 е представен вискозитетът на срязване от ротационното измерване (син цвят) заедно с комплексния вискозитет от честотното измерване (оранжев цвят). И двете криви са в добро съответствие в интервала от 10-2 до 2 rad/s. Това потвърждава Заключение Вискозитетът на срязване и комплексният вискозитет на полипропиленова стопилка бяха сравнени чрез ротационно и осцилационно измерване. Докато към полимера може да се приложи стабилен поток, може да се демонстрира добро съответствие между вискозитета на срязване и комплексния вискозитет. Това поведение се очаква от правилото на Кокс-Мерц. При по-високи скорости на срязване, където се появяват нестабилности на потока, вече не се постига стабилен поток. Тук правилото на Кокс-Мерц е от голяма полза, тъй като разкрива знания за вискозитета на срязване, използвайки комплексния вискозитет. Вискозитет на срязване (η, синьо) и комплексен вискозитет (η*, оранжево) по време на ротационни и осцилационни измервания на разтопен полипропилен 5 разгледаните по-горе резултати: Нестабилността на потока, възникваща при по-високи скорости на срязване, не позволява потокът да бъде независим от времето. Следователно не могат да се получат надеждни резултати при ротационното измерване. Прилагането на Кокс-Мерц обаче позволява лесно определяне на вискозитета на срязване в стационарно състояние: Необходимо е само да се получи комплексният вискозитет като функция на ъгловата честота, след като е извършено измерване на осцилациите.
Заключение
Вискозитетът на срязване и комплексният вискозитет на полипропиленова стопилка бяха сравнени чрез измерване на ротацията и осцилацията. Докато към полимера може да се прилага стабилен поток, може да се демонстрира добро съответствие между вискозитета на срязване и комплексния вискозитет. Това поведение се очаква от правилото на Кокс-Мерц. При по-високи скорости на срязване, където се появяват нестабилности на потока, вече не се постига стабилен поток. Тук правилото на Кокс-Мерц е от голяма полза, тъй като разкрива знания за вискозитета на срязване, използвайки комплексния вискозитет.