Реология на полимерите и молекулна маса

Въведение

Екструдирането, леенето под налягане и формоването чрез пресоване са процеси, които зависят от вискозитета на материала, т.е. от съпротивлението му на течение. Вискозитетът обаче влияе не само върху обработката, но и върху механичните характеристики на крайния продукт. По-специално, молекулната маса и вискозитетът са тясно свързани.

По-долу са класифицирани три различни материала от PEEK в зависимост от тяхната молекулна маса, като са използвани измервания на осцилациите на ротационен реометър Kinexus.

Условия за измерване

Измерванията на честотата бяха извършени върху три материала, обозначени като PEEK 1, PEEK 2 и PEEK 3. Деформацията (или напрежението), приложена към образеца, трябва да бъде достатъчно ниска, за да не разруши структурата на образеца, така че измерването да бъде извършено в рамките на линейно-вискоеластичния 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). Амплитудното измерване служи за предварително измерване, за да се определи границата 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. В таблица 1 са представени условията за амплитудните и честотните измервания.

Таблица 1: Условия за измерване на трептенията

Амплитудно размахване: Определяне на LVER (Linear Visco-Elastic Range)

На фигура 1 са показани кривите, получени от амплитудното измерване на PEEK 1 като функция на деформацията при срязване. За деформации на срязване до около 30 % - съответстващи на напрежение на срязване от около 10 000 Pa - еластичният модул на срязване G´ остава постоянен, което предполага, че материалът се намира в 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. Намаляването на G´ при по-големи деформации на срязване се дължи на разрушаването на структурата на образеца. За следващото честотно измерване е избрано напрежение на срязване от 1 000 Pa.

Честотна смяна

На фигура 2 са показани кривите на еластичния модул и модула на срязване на загубите в допълнение към фазовия ъгъл по време на честотно размахване на PEEK материал 1. В посока на по-ниските честоти модулът на срязване на загубите доминира над еластичния модул на срязване, което води до фазов ъгъл, по-висок от 45°C. Кривите G' и G" се пресичат при честота от 15 Hz. Тук материалът преминава от състояние, доминирано от течност, при което полимерните вериги имат време да се разплетат (ниски честоти), към състояние, доминирано от твърдо вещество, при което веригите са свързани и се държат като мрежа (високи честоти).

Някои определения

G*: Комплексен модул на срязване
G': Модул на срязване, еластичен принос към G*
G": Модул на срязване при загуба, вискозен принос към G*
δ: Фазов ъгъл

Фазовият ъгъл δ (δ = G"/G') е относителна мярка за вискозните и еластичните свойства на даден материал. Той варира от 0° за напълно еластичен материал до 90° за напълно вискозен материал.

На фигури 3 и 4 е показана честотната амплитуда на проби от PEEK 2 и 3 при същите условия. Получените криви и на двата материала са много сходни и се различават от първия образец. По време на цялото измерване вискозният модул на срязване (G") доминира над еластичния модул на срязване (G'), което води до фазов ъгъл (δ), по-висок от 45°. В посока на по-ниските честоти фазовият ъгъл се увеличава, за да достигне почти максималната си стойност от 90°. С други думи, при ниски честоти (или дълги скали) образецът се държи като почти чисто вискозна течност без никакви еластични свойства. В измервания честотен диапазон не беше открит кросоувър, който обаче вероятно съществува при по-високи честоти, тъй като кривите G´ и G" клонят една към друга с увеличаване на честотите. Молекулната маса на полимерите е свързана с позицията на кръстосания преход: Колкото по-ниска е честотата на кросоувъра, толкова по-висока е молекулната маса.

В този случай PEEK 1 има по-висока молекулна маса от PEEK 2 и PEEK 3. PEEK 2 и PEEK 3 се различават по стойностите на еластичния модул на срязване. Той е по-нисък за PEEK 2, отколкото за PEEK 3 в целия измерен честотен диапазон (повече от една декада разлика при 0,01 Hz). Модулът на срязване на загубите на PEEK 2 също е по-нисък от този на PEEK 3. Това води до по-висока твърдост на PEEK 3.

От платото на вискозитета при нулево срязване до молекулната маса

Фигура 5 сравнява комплексния вискозитет (η) на трите проби. Кривите на PEEK 1 и PEEK 2 са почти успоредни, като и двете достигат нютоново плато в нискочестотния диапазон и показват срязващо разреждане при по-високи честоти. Нивото на нютоновото плато е свързано с молекулната маса на полимера: Колкото по-висока е молекулната маса, толкова по-висок е нулевият вискозитет. [1]

За разлика от тях комплексният вискозитет (η*) на образец 1 продължава да нараства с намаляване на честотите и Нютоновото плато все още не е достигнато при честота 0,01 Hz. Нещо повече, за целия измерен честотен диапазон този PEEK материал показва по-висок комплексен вискозитет с повече от 1,5 десети разлика спрямо образец 2 при 0,01 Hz.

От нивото на платото на вискозитета при срязване на трите проби може да се заключи, че PEEK 1 има по-висока молекулна маса, следван от PEEK 2 и PEEK 3. Това потвърждава резултатите, получени от кривите G´ и G".

Заключение

Реологичното поведение на три проби от PEEK беше характеризирано с помощта на ротационния реометър Kinexus. Те се различават по стойността на платото на комплексния вискозитет при нулево срязване. Това се дължи на разликите в молекулните маси на материалите.