Polymerreologi og molekylær masse

Introduktion

Ekstrudering, sprøjtestøbning og trykstøbning er alle processer, der er afhængige af et materiales viskositet, dvs. dets modstand mod at flyde. Viskositeten har dog ikke kun indflydelse på forarbejdningen, men også på slutproduktets mekaniske egenskaber. Især er molekylær masse og viskositet tæt forbundet.

I det følgende klassificeres tre forskellige PEEK-materialer efter deres molekylære masse ved hjælp af svingningsmålinger på et Kinexus rotationsreometer.

Målebetingelser

Der blev udført frekvensmålinger på tre materialer, PEEK 1, PEEK 2 og PEEK 3. Den StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning (eller StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress), der påføres prøven, skal være lav nok til ikke at ødelægge prøvens struktur, så målingen udføres inden for det lineære viskoelastiske område (Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER). Et amplitudesweep fungerer som en indledende måling for at bestemme Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER-grænsen. Tabel 1 viser betingelserne for amplitude- og frekvenssweeps.

Tabel 1: Betingelser for svingningsmålingerne

Amplitude-sweep: Bestemmelse af LVER (Linear Visco-Elastic Range)

Figur 1 viser kurverne fra amplitudesweepet på PEEK 1 som en funktion af forskydningsbelastningen. For forskydningsbelastninger op til ca. 30 % - svarende til en forskydningsspænding på ca. 10.000 Pa - forbliver det elastiske forskydningsmodul G´ konstant, hvilket tyder på, at materialet befinder sig i Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER. Faldet i G´ for højere forskydningsstammer skyldes NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af prøvens struktur. Til det følgende frekvenssweep er der valgt en forskydningsspænding på 1.000 Pa.

Frekvenssweep

Figur 2 viser kurverne for elastisk forskydningsmodul og tabsforskydningsmodul samt fasevinklen under et frekvenssweep af PEEK-materiale 1. I retning af de lavere frekvenser dominerer tabsforskydningsmodulet det elastiske forskydningsmodul, hvilket resulterer i en fasevinkel højere end 45°C. G'- og G"-kurverne krydser hinanden ved en frekvens på 15 Hz. Her overgår materialet fra en væskedomineret tilstand, hvor polymerkæderne har tid til at løsne sig (lave frekvenser), til en faststofdomineret tilstand, hvor kæderne er låst sammen og opfører sig som et netværk (høje frekvenser).

Nogle definitioner

G*: Kompleks forskydningsmodul
G': Lagringsforskydningsmodul, elastisk bidrag til G*
G": Tabsforskydningsmodul, viskøst bidrag til G*
δ: Fasevinkel

Fasevinklen δ (δ = G"/G') er et relativt mål for de viskøse og elastiske egenskaber i et materiale. Den spænder fra 0° for et fuldt elastisk materiale til 90° for et fuldt viskøst materiale.

Figur 3 og 4 viser frekvenssweepet for PEEK-prøve 2 og 3 under de samme forhold. De resulterende kurver for begge materialer er meget ens og adskiller sig fra den første prøve. Under hele målingen dominerer det viskøse forskydningsmodul (G") det elastiske forskydningsmodul (G'), hvilket resulterer i en fasevinkel (δ), der er højere end 45°. I retning af de lavere frekvenser øges fasevinklen, så den næsten når sin maksimale værdi på 90°. Med andre ord opfører prøven sig ved lave frekvenser (eller langvarige skalaer) som en næsten rent viskøs væske uden nogen elastiske egenskaber. Der blev ikke fundet nogen overgang i det målte frekvensområde, men den findes sandsynligvis ved højere frekvenser, fordi G´- og G"-kurverne har en tendens til at nærme sig hinanden med stigende frekvenser. Polymerernes molekylmasse er relateret til crossoverens position: Jo lavere frekvensen af overgangen er, jo højere er molekylmassen.

I dette tilfælde har PEEK 1 en højere molekylmasse end PEEK 2 og PEEK 3. PEEK 2 og PEEK 3 adskiller sig i værdierne for det elastiske forskydningsmodul. Det er lavere for PEEK 2 end for PEEK 3 i hele det målte frekvensområde (mere end et årtis forskel ved 0,01 Hz). Tabsforskydningsmodulet for PEEK 2 er også lavere end for PEEK 3. Dette resulterer i en højere stivhed for PEEK 3.

Fra nulforskydningsviskositetsplateauet til Molekylær masse

Figur 5 sammenligner den komplekse viskositet (η) for alle tre prøver. Kurverne for PEEK 1 og PEEK 2 er næsten parallelle, begge når et newtonsk plateau i lavfrekvensområdet og viser en forskydningsfortyndende adfærd ved højere frekvenser. Niveauet for det newtonske plateau er relateret til polymerens molekylære masse: Jo højere molekylemasse, jo højere nulviskositet. [1]

I modsætning hertil fortsætter den komplekse viskositet (η*) for prøve 1 med at stige med faldende frekvenser, og det newtonske plateau er stadig ikke nået ved en frekvens på 0,01 Hz. For hele det målte frekvensområde viser dette PEEK-materiale desuden en højere kompleks viskositet med en forskel på mere end 1,5 årtier i forhold til prøve 2 ved 0,01 Hz.

Ud fra niveauet for forskydningsviskositetsplateauet for alle tre prøver kan det konkluderes, at PEEK 1 har en højere molekylær masse, efterfulgt af PEEK 2 og PEEK 3. Dette bekræfter resultaterne fra G´- og G"-kurverne.

Konklusion

Den reologiske opførsel af tre PEEK-prøver blev karakteriseret ved hjælp af Kinexus rotationsreometer. De adskiller sig i værdien af nul-shear-viskositetsplateauet for den komplekse viskositet. Dette skyldes forskelle i materialernes molekylære masse.