En metode til forbedring af testeffektiviteten ved et kapillærreometer ved hjælp af to cylindre

Indledning

Polymeres smeltes reologiske egenskaber udgør grundlaget for formning og forarbejdning. Ved hjælp af et kapillærreometer kan man undersøge ændringer i polymersmeltens viskositet ved forskellige temperaturer og forskydningshastigheder og dermed effektivt forudsige polymerernes forarbejdningsegenskaber, hvilket giver et solidt videnskabeligt grundlag for forarbejdning og kvalitetskontrol af polymermaterialer.

Typisk testes de reologiske egenskaber ved polymermaterialer ved hjælp af et system med en enkelt cylinder, hvilket tager lang tid at teste forskellige typer eller partier af polymerprøver under forskellige betingelser. For at forbedre testeffektiviteten er en velafprøvet metode derfor at anvende et kapillærreometer med to cylindre til at teste to prøver samtidigt, hvilket effektivt kan forkorte ventetiden på temperaturstabilisering mellem testene. I dette arbejde blev gennemførligheden af dobbeltcylinder-testen analyseret ved at gennemføre en testserie på polyethylen (PE) og polypropylen (PP) ved hjælp af det dobbeltcylindrede kapillærreometer Rosand RH10 fra NETZSCH (figur 1).

Målebetingelser og prøvningsmetode

Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1. Efter montering af matricerne under den venstre og højre cylinder og stabilisering af temperaturen til 200 ± 0,1 °C blev der langsomt tilsat PE- eller PP-partikler til henholdsvis den venstre og højre cylinder, komprimeret til 1 MPa og derefter forvarmet ved en konstant temperatur i 8 minutter. Målingen blev påbegyndt efter dette komprimeringstrin.

Tabel 1: Målebetingelser

Måleresultater og diskussion

Figur 2 viser forskydningsviskositetskurverne for det samme PE-materiale, der er testet ved 200 °C og 10 ~ 10.000 s⁻¹ ved hjælp af dobbeltcylindre, hvor den venstre og højre cylinder blev anvendt sammen med en dyse med et længde/diameter-forhold (L/D) på 16/1, og tryktransducere på henholdsvis 10.000 psi og 5.000 psi.

Testdataene og afvigelsesværdierne fremgår af tabel 2. Som det fremgår af figur 2, udviser skjærviskositetskurverne, der er testet med henholdsvis den venstre og den højre cylinder, en meget god repeterbarhed. Desuden er afvigelserne i de skjærviskositetsværdier, der er opnået ved forskellige skjærhastigheder, som det fremgår af tabel 2, mindre end 1 %. Der kan derfor opnås nøjagtige resultater ved at udføre testene med både den venstre og den højre cylinder.

Tabel 2: Testdata og afvigelse for PE i venstre og højre tønde ved 200 °C

Figur 3 viser kurverne for den tilsyneladende forskydningsviskositet for PE (venstre cylinder, sort) og PP (højre cylinder, rød), testet med det dobbelte cylindersystem ved 200 °C og 50 ~ 3000 s⁻¹, hvor venstre og højre cylinder blev anvendt sammen med en dyse med et L/D-forhold på 16/1 og tryktransducere på henholdsvis 10.000 psi og 5.000 psi. Som det fremgår af figur 3, er PP’s forskydningsviskositet betydeligt lavere end PE-materialets ved samme forskydningshastighed. Derfor kan testen med dobbeltcylinderen ikke blot levere data for de to materialers forskydningsviskositet samtidigt, men også give mulighed for en intuitiv sammenligning af de to materialers viskositet umiddelbart efter testen.

Skærviskositet er en materialegenskab, der beskriver, hvor stærkt en væske modstår deformation under skæring.

Den tilsyneladende forskydningsviskositet er den viskositetsværdi, man observerer eller beregner ved en bestemt forskydningshastighed, især for væsker, hvis viskositet ændrer sig afhængigt af strømningsforholdene.

Rosand-kapillærreometeret med dobbeltboring muliggør korrektioner for den ikke-newtonske adfærd og indgangseffekter til direkte bestemmelse af skjærviskositeten.

Konklusion

I dette arbejde blev de reologiske egenskaber ved PE- og PP-materialer undersøgt under forskellige betingelser ved hjælp af Rosand RH10-udstyret fra NETZSCH. For det samme materiale kan der opnås meget nøjagtige testresultater, uanset om man bruger den venstre eller højre cylinder. Når man tester forskellige materialer ved hjælp af systemet med to cylindre, kan man ikke blot forbedre testeffektiviteten og effektivt reducere testtiden, men også foretage en meget intuitiv sammenligning af testresultaterne ved testens afslutning.