Úvod
Polypropylen (PP) je jako klíčový univerzální plast díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem, chemické stabilitě a zpracovatelským vlastnostem široce využíván v automobilovém, obalovém, elektronickém, textilním a dalších průmyslových odvětvích. Pro další optimalizaci zpracování PP materiálů a zlepšení kvality a vlastností výrobků má však velký praktický význam provádět hloubkové výzkumy reologického chování PP.
Viskozita, jakožto klíčový ukazatel toku polymeru, úzce souvisí se zpracováním materiálu. V různých výrobních procesech musí PP téct a tvarovat se v rámci specifických teplotních rozsahů. Proto přesné pochopení toho, jak se viskozita PP mění s teplotou, umožňuje inženýrům přesně řídit parametry zpracování a zajistit tak optimální tekutost a kvalitu formování PP během výroby.
Kapilární reometr, reologický měřicí přístroj typu „ classic “, je v polymerním výzkumu široce využíván díky své schopnosti měřit reologické vlastnosti materiálů v širokém rozsahu smykových rychlostí a teplot. V této studii byl použit kapilární reometr Rosand RH10 od společnosti NETZSCH (obrázek 1) k systematickému zkoumání vlivu teploty a smykové rychlosti na viskozitu taveniny a aktivační energii viskózního toku PP. Získané poznatky poskytují teoretický základ pro optimalizaci parametrů zpracování PP, což v konečném důsledku vede ke zvýšení kvality a výkonnosti výrobků z PP.
Měřicí podmínky a zkušební metoda
Podmínky měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Přístroj | NETZSCH Rosand RH10 |
| Vzorky | PP |
Tlak snímač | 10 000 psi |
| Specifikace matrice | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Zkušební teplota | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Rozsah smykové rychlosti | 10 – 10 000 s⁻¹ |
Po instalaci forem pod levý válec a po vyčkání na ustálení teploty byly do válce pomalu přidávány PP pelety, které byly stlačeny na tlak 1 MPa a poté předehřáty při konstantní teplotě po dobu 5 minut. Následně přístroj automaticky provedl zkoušku, přičemž aplikoval smykovou rychlost a zaznamenával tlak.
Výsledky měření a diskuze
Obrázek 2 znázorňuje křivky smykové viskozity v závislosti na smykové rychlosti u vzorků PP při různých teplotách. Jak je patrné z obrázku 2, smyková viskozita vzorků PP za všech teplotních podmínek postupně klesá s rostoucí smykovou rychlostí, což dokládá typické chování smykového zředění. K tomuto jevu dochází proto, že se při vyšších smykových rychlostech zesiluje rozplétání makromolekulárních řetězců PP, což vede k rychlému poklesu smykové viskozity. S dalším zvyšováním smykové rychlosti se však účinnost smykového napětí při podpoře rozplétání makromolekulárních řetězců snižuje, což má za následek zpomalení klesajícího trendu smykové viskozity.
Kromě toho se smyková viskozita vzorků PP při stejné smykové rychlosti s rostoucí teplotou výrazně snižuje. Je to způsobeno tím, že s rostoucí teplotou se zvětšuje volný objem taveniny PP, což zvyšuje pohyblivost řetězcových segmentů a snižuje sílu mezimolekulárních interakcí, čímž se zlepšuje tekutost PP. Rozdíl v hodnotách smykové viskozity při různých teplotách se však znatelně zmenšuje, jakmile smyková rychlost překročí 500 s-1. Zejména při zvýšení smykové rychlosti na 5000 s-1 se křivky smykové viskozity při různých teplotách mají tendenci překrývat a klesající tendence smykové viskozity se zpomaluje. To naznačuje, že při překročení kritické smykové rychlosti klesá citlivost smykové viskozity PP na teplotu, což naznačuje rozšířené teplotní rozmezí pro zpracování PP v tomto rozsahu smykových rychlostí.
Aktivační energie viskózního toku (Eη) je ukazatelem citlivosti zdánlivé smykové viskozity polymerní taveniny na teplotu. Vyšší hodnota Eη znamená větší citlivost viskozity taveniny na teplotní výkyvy, zatímco nižší hodnota naznačuje sníženou teplotní závislost. Eη lze vypočítat pomocí Arrheniovy rovnice (1):
kde ηa je viskozita taveniny; Eη je aktivační energie viskózního toku; R je plynová konstanta (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A je konstanta nezávislá na teplotě.
Na základě údajů naměřených na obrázku 2 byly sestaveny a aproximovány grafy lgηa v závislosti na 1/T. V důsledku toho jsou na obrázku 3 znázorněny křivky vztahu lgηa ~ 1/T při různých smykových rychlostech, přičemž konkrétní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Jak je vidět, Eη PP při různých smykových rychlostech lze určit ze sklonů aproximovaných lineárních křivek na obrázku 3, přičemž konkrétní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Hodnota Eη PP klesá s rostoucí rychlostí smyku v testovaném teplotním rozsahu. To naznačuje, že smyková viskozita taveniny PP je při vysokých rychlostech smyku méně citlivá na teplotu. Z hlediska molekulární dynamiky lze tento jev vysvětlit tím, že vnější smykové síly narušují propletení mezi molekulami PP, čímž snižují citlivost smykové viskozity na teplotu. To se odráží v křivkách viskozity (obrázek 2), kde se křivky při různých teplotách při vysokých smykových rychlostech téměř překrývají. Zvýšení teploty se proto při vysokých smykových rychlostech ukazuje jako méně účinné pro snížení smykové viskozity roztaveného PP. Naopak při nízkých smykových rychlostech může zvýšení teploty výrazně zlepšit tekutost PP, čímž se sníží spotřeba energie během zpracování.
Tabulka 2:Eη materiálu PP při různých rychlostech smyku
| Rychlost smyku (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 |
Závěr
V této aplikační poznámce byly pomocí kapilárního reometru Rosand RH10 zkoumány reologické vlastnosti PP při různých teplotách a rychlostech smyku. Při relativně nízkých smykových rychlostech (10 až 500 s-1) smyková viskozita PP s rostoucí smykovou rychlostí výrazně klesá, zatímco při vysokých smykových rychlostech (500 až 10 000 s-1) je pokles smykové viskozity pozvolnější. Kromě toho hodnota Eη PP klesá s rostoucí rychlostí smyku, což naznačuje, že vyšší rychlosti smyku účinně snižují teplotní citlivost viskozity taveniny PP.