Основи на капилярната реометрия

"Реологията изучава деформацията и потока на течностите. [...] Традиционно капилярните реометри се използват за измерване на вискозитета и еластичността на вискозни материали при високи скорости на срязване. [...] Интересът към високите скорости на срязване се дължи на начина на деформация, на който ще бъде подложен материалът при процеси като екструдиране, издуване на фолио и шприцване." [1]

Реакциите на материала към деформацията или просто към самата среда се случват в различни времеви мащаби. Някои процеси отнемат години, като например физическото стареене и пълзенето. Други процеси протичат за секунди или милисекунди, например поведението при удар или срязване и удължаване по време на обработка като екструдиране, издуване и шприцване.

Колкото по-бърза е реакцията на материала, толкова по-бърза трябва да бъде скоростта на деформация. Това е и причината, поради която ротационните реометри не са подходящи за тези процеси. Техният функционален принцип е проектиран да открива промени на молекулярно ниво до ниска или medium деформация. Капилярните реометри обаче покриват другата страна на спектъра - процеси, които протичат в бърза времева скала.

Фигура 1: Влияние върху запълването на формата

Защо ви е необходима капилярна реометрия?

При процеса на шприцване например вискозитетът на материала и геометрията на канала и самата част влияят върху запълването на формата. На свой ред тези два параметъра влияят върху скоростта на срязване, налягането на запълване, дължината на потока и дори силата на затягане, която е необходима, за да се задържи формата затворена.

Какви данни могат да се получат с помощта на капилярен реометър?

Вискозитет на стопилката

Вискозитетът може да се разглежда като течливост на дадена течност или като степен на съпротивление на потока. Вискозитетът, η, се изразява като отношение на напрежението на срязване (сила на единица площ) към скоростта на срязване (скорост на изменение на деформацията на срязване). [2]

Поведение при висока скорост на срязване

Скоростта на срязване е скоростта, с която флуидът се срязва или деформира по време на потока. На по-технически език това е скоростта, с която слоевете на флуида се движат един след друг. Ако някой бързо втрие много тънък слой мехлем, крем или лосион върху кожата например, скоростта на срязване е много по-висока, отколкото ако този материал се изстисква бавно от тубата. [3]

Разтегливи свойства

Екстензионно течение се получава, когато материалът не е в контакт с твърди граници, какъвто е случаят при изтегляне на нишки, влакна, филми, листове или надуване на мехурчета. Сближаващите се потоци на входа на матриците също са екстензивни по природа. [4] Екстензионните свойства включват скорост на екстензионна деформация и екстензионен вискозитет.

Счупване на стопилката (нестабилност на потока)

Фрактурата на стопилката се определя като явление, причинено от прекомерно напрежение на срязване, упражнявано върху разтопената смола, което води до грапавост на екструдата. [5] Това е нежелан повърхностен ефект, който може да повлияе и на свойствата на детайла. Тъй като възниква при високи напрежения на срязване за изследвания материал, може да бъде намален или елиминиран чрез намаляване на производителността.

Релаксация на напрежението (относителна)

Релаксацията на напрежението е зависещо от времето намаляване на напрежението при постоянна деформация. Това характерно поведение на полимера се изследва чрез прилагане на фиксирано количество деформация към образец и измерване на натоварването, необходимо за поддържането ѝ, като функция от времето. [6]

Якост на разтопяване

Якостта на стопилката може да се опише като устойчивост на полимерната стопилка на разтягане. Якостта на стопилката на даден материал е свързана със заплитането на молекулните вериги на полимера и устойчивостта му на разплитане при деформация. Свойствата на полимера, които оказват влияние върху устойчивостта на разплитане, са молекулно тегло, разпределение на молекулното тегло (MWD) и молекулно разклоняване. С увеличаването на всяко от тези свойства се подобрява якостта на стопилката при ниски скорости на срязване. [7] Това е важно свойство за успешното екструдиране на пластмасови материали.

Набъбване на матрицата

Набъбването на матрицата се получава, когато материалът изтича от капилярната матрица. Един от начините да се обясни набъбването на матрицата е да се разгледа способността на полимерната стопилка да запомня историята на потока си. Идеята е да си представим флуидния елемент, който се движи от резервоара в капилярната матрица, като къс, дебел цилиндър, който се изстисква в дълъг, тънък цилиндър. Ако времето на престой на флуидния елемент в матрицата е по-кратко от времето на неговата избледняваща памет (време на релаксация), той ще се опита да се върне към първоначалната си форма и ще предизвика ефекта на набъбване на матрицата. [8]

поведение на pvT и свиваемост

pvT изследва връзката между налягането и обема в даден материал. Освен това той дава представа за това колко компресируема е полимерната стопилка. Тъй като полимерите се обработват при високи температури и налягания, връзката между налягането, обема и температурата е от голямо значение.

За какво са ви необходими данните от капилярен реометър?

Други причини, поради които се нуждаем от данни от капилярен реометър: Измерване на поведението на потока на даден материал за контрол и осигуряване на качеството, провеждане на изследвания на обработката (зависимост от срязване) или получаване на входни параметри на модела за симулации на потока. Можем да изследваме формулите, за да оценим ефекта на пълнителите, спомагателните средства за обработка и подобрителите на производството.

Следващата седмица ще разгледаме принципа на работа на капилярен реометър, ще обясним характеристичната вискозитетна крива на потока и ще подчертаем важността на необходимите корекции.

Прочетете статията тук!

Източници:

[1] Dao, T.T., Ye, A.X., Shaito, A.A., Roye, N., Hedman, K. (2009): Капилярна реометрия: Анализ на течности с нисък вискозитет и вискозни течности и стопилки при високи скорости на срязване; изтеглено от: 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] Moonay, D. (2017 г.): What is Shear Rate and Why is it Important? (Какво е скорост на срязване и защо е важна?); изтеглено от: https://www.labcompare.com/10-Featured-Articles/338534-What-is-Shear-Rate-and-Why-is-it-Important/

[4] Shenoy, A.V. (1999 г.): Rheology of Filled Polymer Systems (Реология на пълни полимерни системи); изтеглено от: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-015-9213-0_9

[5] Ebnesajjad, S. (2017): Fluoroplastics; извлечено от: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/melt-fracture

[6] Ashter, S.A. (2014 г.): Thermoforming of Single and Multilayer Laminates (Термоформоване на еднослойни и многослойни ламинати); изтеглено от: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stress-relaxation

[7] Frankland, J. (2013 г.): Екструзия: Къде са данните? The Importance of Melt Strength in Extrusion (Значението на якостта на стопилката при екструдиране); изтеглено от: https://www.ptonline.com/articles/what-about-melt-strength

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