Ponoření do základů reologie termoplastů

Reologie je věda zabývající se studiem toku a deformace materiálů, která má své kořeny v zákonech pružnosti a viskozity navržených Hookem a Newtonem na konci ¹⁷. století. Termoplastické polymerní taveniny se široce používají v mnoha moderních průmyslových procesech k výrobě mnoha předmětů. Polymery se používají proto, že je lze relativně levně tvarovat do složitých tvarů v roztaveném stavu. Je však třeba pochopit, jak při zpracování tečou [1].

Faktory ovlivňující tokové chování polymerů

Reologická charakterizace polymerů je složitá, protože jejich tokové vlastnosti ovlivňuje mnoho faktorů. Příklady faktorů, které ovlivňují tokové chování, mohou zahrnovat teplotu zpracování, rychlost toku, dobu zdržení atd.

Reologické vlastnosti polymerů se navíc pohybují mezi vlastnostmi kapaliny a pevné látky. To vede k závislosti tokových vlastností na čase a k dalším důležitým charakteristikám, z nichž některé jsou popsány níže [1].

Důležité reologické vlastnosti polymerů

Je známo, ževiskozita taveniny je kriticky závislá na teplotě. Snižováním teploty formy až do matného povrchu vyráběného dílu může technolog zjistit minimální teplotu (a tedy maximální viskozitu pryskyřice), při které lze proces spustit, aniž by se projevily povrchové vady. Snížení teploty formy šetří energii a může zkrátit dobu cyklu, a proto je pochopení teplotní závislosti viskozity taveniny velmi užitečné.

Je známo, že polymerní taveniny vykazují při vytlačování bobtnání . Tento jev se projevuje zvětšením průměru extrudátu po výstupu z lisovací formy. Velikost bobtnání výlisku souvisí s velikostí elastické deformace materiálu na vstupu do výlisku. Další skutečností, kterou je třeba vzít v úvahu, je to, že stupeň bobtnání matrice (správněji bobtnání extrudátu) závisí na délce matrice při vytlačování materiálu při konstantním výkonu. Jinými slovy, polymerní taveniny vykazují závislost na čase, protože materiál zapomíná na pružnou deformaci aplikovanou na vstupu do matrice, čím více času stráví materiál uvnitř matrice, tím menší je bobtnání matrice.

Pružnost taveniny může mít také hluboké důsledky pro mnoho dalších polymerních procesů, jako např:

• Vyfukování, kde tloušťka stěny vyfouknuté součásti závisí na stupni bobtnání, k němuž došlo během procesu vytlačování před uzavřením formy.
• Vakuové tváření nebo tepelné tváření, kde si polymer musí zachovat určitý stupeň pružnosti, aby se zabránilo prověšení materiálu před jeho přetažením vakuem přes tvářecí formu za studena. Nemá-li materiál dostatečnou pružnost, je pravděpodobné, že se dostane do kontaktu s chladicí matricí před působením vakua nebo tlaku [1].

Jak charakterizovat chování taveniny polymeru při toku

Vlastnosti polymerů při zpracování závisí také na koncentraci maziv, změkčovadel, plniv a dalších složek ve zpracovávané směsi. Z tohoto stručného úvodu lze vyvodit, že správná charakterizace chování polymerní taveniny při toku bude pravděpodobně vyžadovat sofistikované a všestranné přístrojové vybavení.

Z pohledu reologa lze tokové chování polymerů vhodně rozdělit na tři složky: Smykové a roztahovací toky, které jsou charakterizovány odpovídajícími viskozitami, a elastické chování, které je charakterizováno měřením modulů nebo poměrů bobtnání [1].

Klíčové je správné přístrojové vybavení

Pro úplnou charakterizaci materiálu je zapotřebí přístrojové vybavení, které je schopno tyto parametry extrahovat v rozsahu teplot a rychlostí smyku/roztažení. Moderní laboratorní reologické zkušební přístroje lze rozdělit do dvou širokých kategorií rotačních reometrů Kinexus a kapilárních reometrů Rosand. Cenné poznatky o vlastnostech materiálů dále umožňují přístroje pro termickou analýzu, jako je diferenciální skenovací kalorimetrie, dynamická mechanická analýza a termomechanická analýza.

V příštím článku se dozvíte, jak lze náš rotační reometr Kinexus použít k charakterizaci termoplastů.

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!