Analýza termoplastů pomocí rotačního reometru Kinexus

Jedním z hlavních důvodů, proč jsou polymery tak široce používány, je jejich relativně levné tvarování do složitých tvarů v roztaveném stavu, což představuje velkou změnu reologie od pevného výchozího materiálu až po pevný konečný produkt. Naučte se určovat tokové křivky, provádět zkoušky tečení a měřit viskózní a elastické vlastnosti.

Jedním z hlavních důvodů, proč jsou polymery tak široce používány, je jejich relativně levné tvarování do složitých tvarů v roztaveném stavu, což představuje velkou změnu reologie od pevného výchozího materiálu až po pevný konečný produkt. Je však třeba pochopit, jak při tomto zpracování tečou. V našem předchozím článku jsme se zabývali několika reologickými vlastnostmi polymerů. Nyní se podíváme na tři vlastnosti, které lze určit pomocí rotačního reometru Kinexus.

Přístroje rotačních reometrů obvykle vyžadují vzorek testovaného materiálu ve tvaru disku small - typické rozměry jsou průměr 25 mm a tloušťka 1 mm. Vzorek se umístí mezi dvojici paralelních desek nebo horní kužel a spodní desku, jejichž teplotu lze přesně udržovat, aby se napodobily podmínky, které vzorek zažívá při zpracování [1].

Přístroj Kinexus by NETZSCH je schopen provádět řadu typů zkoušek, které umožňují úplnou charakterizaci materiálu v rozsahu teplot a průtoků. Příklady dostupných typů testů jsou:

Standardní držák na čtyři kruhové vzorky o průměru 12,7 mm, navržený pro přesnost a stabilitu při testování. — Obrázek 1: Průtoková křivka pro LDPE při 190 °C, která ukazuje nízkou smykovou rychlost pro viskozitu. Velikost viskozity při nulovém smyku souvisí s průměrnou molekulovou hmotností polymeru

Stanovení průtokových křivek

Průtokové křivky měří smykovou viskozitu v závislosti na smykové rychlosti nebo smykovém napětí. Při dostatečně nízkých smykových rychlostech se dosáhne konstantní hodnoty viskozity. Bylo prokázáno, že tato tzv. nulová smyková viskozita závisí na průměrné molekulové hmotnosti polymeru a je známo, že délka plató (jak vysoká je rychlost, než viskozita klesne) odráží šířku distribuce molekulové hmotnosti [1].

Stanovení nulové smykové viskozity pomocí creepových zkoušek

Alternativním prostředkem pro stanovení nulové smykové viskozity jsoucreepové zkoušky (působení konstantního napětí po definovanou dobu). V kombinaci se zkouškou zotavení (odstranění napětí) umožňují tyto zkoušky měřit množství pružnosti vzorku, protože materiál se díky své "pružnosti" odvíjí a snaží se obnovit svůj původní tvar [1].

Křivky tečení a regenerace polypropylenu při 190 ºC znázorňují měření viskozity při nulovém smyku a regenerovatelné poddajnosti. — Obrázek 2: Křivka tečení (modrá) a zotavení (červená) polypropylenu při teplotě 190 °C umožňuje stanovit viskozitu při nulovém smyku a rovnovážnou zotavitelnou shodu

Měření viskózních a elastických vlastností

Small amplituda sinusového kmitání v závislosti na zkušební frekvenci je rychlá a často používaná metoda měření viskózních a elastických vlastností polymeru. Nejčastěji se uvádějí dva parametry - 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 (akumulační) a Viskozní modulKomplexní modul (viskózní složka), ztrátový modul nebo G'' je "imaginární" část vzorků celkového komplexního modulu. Tato viskózní složka udává kapalnou nebo nefázovou odezvu měřeného vzorku. modul viskozity (ztrátový) (G''), které představují relativní stupeň zotavení (pružná odezva) nebo toku (viskózní odezva) materiálu při změně rychlosti deformace (zkušební frekvence). Typickou odezvou polymerní taveniny je chování s převahou pružnosti při vysokých frekvencích a chování s převahou viskozity při nízkých frekvencích. To znamená, že existuje kritická frekvence, při níž jsou obě odezvy stejné.

Jedná se samozřejmě o dobře definovaný bod a příhodně se ukázalo, že tato "křížová" frekvence a 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 závisí na molekulové hmotnosti a rozložení molekulové hmotnosti některých lineárních polymerů. Potenciální výhoda využití tohoto bodu jako nástroje kontroly kvality spočívá v tom, že ke křížení elastického a viskózního modulu dochází při podstatně vyšších frekvencích než v bodě, v němž dochází ke konstantní hodnotě smykové viskozity. Doba testování při zkouškách oscilací je obvykle kratší ve srovnání s prováděním měření křivky toku nebo zkoušek tečení [1].

Graf frekvenčního rozptylu pro polypropylen při teplotě 190 ºC, který ilustruje analýzu křížového bodu elastické a viskózní složky. — Obrázek 3: Frekvenční rozptyl pro polypropylen při 190 °C. Bod přechoduPři reologických zkouškách, jako je například frekvenční nebo časově-teplotní měření, je bod křížení vhodným referenčním bodem, který označuje "přechodový" bod vzorku.Bod přechodu je určen průměrnou molekulovou hmotností a distribucí molekulové hmotnosti

Rotační reometry Kinexus jsou preferovanou volbou v případech, kdy je třeba získat informace o molekulární struktuře a jejím vlivu na vlastnosti při zpracování. Zejména schopnost snadno získat informace o průměrné molekulové hmotnosti a rozložení molekulové hmotnosti prostřednictvím měření viskoelastických vlastností činí z rotačního reometru výkonný nástroj.

Po seznámení se základy analýzy termoplastů pomocí rotačního reometru Kinexus budou v dalším článku blogu uvedeny dva příklady, které ilustrují, jak viskoelastická charakterizace polymerů vyřešila skutečné zpracovatelské problémy.

Zdroj

[1] Reologické zkoušky polymerů a stanovení vlastností pomocí rotačních reometrů a kapilárních vytlačovacích reometrů (azom.com)

Děkujeme Dr. Bobu Marshovi (bývalému zaměstnanci společnosti Malvern Panalytical) jako původnímu autorovi tohoto článku!