Úvod
Vytlačování, vstřikování a lisování jsou procesy závislé na viskozitě materiálu, tj. jeho odporu proti toku. Viskozita však neovlivňuje pouze zpracování, ale také mechanické vlastnosti konečného výrobku. Zejména molekulová hmotnost a viskozita spolu úzce souvisejí.
V následujícím textu jsou tři různé materiály PEEK klasifikovány podle jejich molekulové hmotnosti pomocí měření oscilací na rotačním reometru Kinexus.
Podmínky měření
Měření frekvence bylo provedeno na třech materiálech označených PEEK 1, PEEK 2 a PEEK 3. Deformace (nebo napětí) působící na vzorek musí být dostatečně nízká, aby nedošlo k destrukci struktury vzorku, aby měření proběhlo v lineárně-viskoelastickém rozsahu (Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER). Amplitudové měření slouží jako předběžné měření k určení hranice Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER. Tabulka 1 znázorňuje podmínky amplitudového a frekvenčního měření.
Tabulka 1: Podmínky měření oscilací
| Amplitudový švih | Frekvenční švih | |
|---|---|---|
| Zařízení | Kinexus ultra+ s elektricky vyhřívanou komorou | |
| Geometrie | PP25 (deska, průměr: 25 mm) | |
| Mezera | 500 μm | 500 μm |
| Teplota | 360°C | 360°C |
| Smyková deformace | 1 až 100% | - |
| Smykové napětí | - | 1 000 Pa (PEEK 1), 500 Pa (PEEK 2 a 3) |
| Frekvence | 1 Hz | 10 až 0,01 Hz |
| Atmosféra | Dusík (1 l/min) | |
Amplitude Sweep: (Lineární viskoelastický rozsah)
Na obrázku 1 jsou znázorněny křivky vyplývající z amplitudového měření na PEEK 1 v závislosti na smykové deformaci. Pro smykové deformace do přibližně 30 % - což odpovídá smykovému napětí přibližně 10 000 Pa - zůstává Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti ve smyku G´ konstantní, což naznačuje, že se materiál nachází v Lineární viskoelastická oblast (LVER)Při LVER jsou aplikovaná napětí nedostatečná k tomu, aby způsobila strukturální poruchu (poddajnost) konstrukce, a proto se měří důležité mikrostrukturální vlastnosti.LVER. Pokles G´ pro vyšší smykové deformace je způsoben rozpadem struktury vzorku. Pro následující frekvenční rozptyl je zvoleno smykové napětí 1 000 Pa.
Frekvenční škála
Na obrázku 2 jsou kromě fázového úhlu zobrazeny také křivky elastického a ztrátového smykového modulu při frekvenčním rozptylu materiálu PEEK 1. Ve směru nižších frekvencí převažuje modul ztrátového smyku nad modulem pružného smyku, což má za následek fázový úhel vyšší než 45 °C. Křivky G' a G" se protínají při frekvenci 15 Hz. Zde materiál přechází ze stavu s převahou kapaliny, v němž mají polymerní řetězce čas se rozpojit (nízké frekvence), do stavu s převahou pevné látky, kde jsou řetězce propojeny a chovají se jako síť (vysoké frekvence).
Některé definice
G*: Komplexní Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti ve smyku
G': G": Skladovací modul ve smyku, příspěvek pružnosti ke G*
G": Ztrátový modul ve smyku, viskózní příspěvek ke G*
δ: Fázový úhel
Fázový úhel δ (δ = G"/G') je relativní mírou viskózních a elastických vlastností materiálu. Pohybuje se v rozmezí od 0° pro plně pružný materiál do 90° pro plně viskózní materiál.
Na obrázcích 3 a 4 je zobrazen frekvenční rozptyl vzorků PEEK 2 a 3 za stejných podmínek. Výsledné křivky obou materiálů jsou velmi podobné a liší se od prvního vzorku. Během celého měření převládá viskózní smykový modul (G") nad elastickým smykovým modulem (G'), což má za následek fázový úhel (δ) vyšší než 45°. Ve směru nižších frekvencí se fázový úhel zvyšuje a dosahuje téměř maximální hodnoty 90°. Jinými slovy, při nízkých frekvencích (nebo dlouhých škálách) se vzorek chová jako téměř čistě viskózní tekutina bez jakýchkoli elastických vlastností. V měřeném frekvenčním rozsahu nebylo zjištěno žádné křížení, které však pravděpodobně existuje při vyšších frekvencích, protože křivky G´ a G" mají s rostoucími frekvencemi tendenci k sobě. S polohou crossoveru souvisí molekulová hmotnost polymerů: Čím nižší je frekvence křížení, tím vyšší je molekulová hmotnost.
V tomto případě má PEEK 1 vyšší molekulovou hmotnost než PEEK 2 a PEEK 3. PEEK 2 a PEEK 3 se liší hodnotami modulu pružnosti ve smyku. Ten je u PEEK 2 nižší než u PEEK 3 v celém měřeném frekvenčním rozsahu (rozdíl více než jedna dekáda při 0,01 Hz). Ztrátový modul ve smyku PEEK 2 je rovněž nižší než PEEK 3. Z toho vyplývá vyšší tuhost PEEK 3.
Od plošiny nulové smykové viskozity k Molekulová hmotnost
Obrázek 5 porovnává komplexní viskozitu (η) všech tří vzorků. Křivky PEEK 1 a PEEK 2 jsou téměř rovnoběžné, obě dosahují v nízkofrekvenčním pásmu newtonovského plató a při vyšších frekvencích vykazují smykové ztenčení. Úroveň newtonovské plošiny souvisí s molekulovou hmotností polymeru: Čím vyšší je molekulová hmotnost, tím vyšší je nulová viskozita. [1]
Naproti tomu komplexní viskozita (η*) vzorku 1 se s klesajícími frekvencemi stále zvyšuje a při frekvenci 0,01 Hz ještě není dosaženo newtonovské plošiny. Navíc pro celý měřený frekvenční rozsah vykazuje tento materiál PEEK vyšší komplexní viskozitu s více než 1,5 dekády rozdílu oproti vzorku 2 při 0,01 Hz.
Z úrovně plateau smykové viskozity všech tří vzorků lze vyvodit závěr, že PEEK 1 má vyšší molekulovou hmotnost, následovaný PEEK 2 a PEEK 3. To potvrzuje výsledky získané křivkami G´ a G".
Závěr
Reologické chování tří vzorků PEEK bylo charakterizováno pomocí rotačního reometru Kinexus. Liší se hodnotou plošné komplexní viskozity při nulovém smyku. To je způsobeno rozdíly v molekulových hmotnostech materiálů.