Undersøgelse af fugtighedens indvirkning på PA’s viskositet ved hjælp af kapillær reometri

Indledning

Polyamid (PA) er en meget vigtig teknisk plast, der på grund af sine fremragende mekaniske egenskaber, kemiske stabilitet og termiske stabilitet er blevet anvendt i vid udstrækning inden for områder som bilkomponenter, elektroniske produkter, tekstiler og emballagematerialer. Fugtoptagelse er imidlertid et almindeligt problem under forarbejdningen af PA. Når PA kommer i kontakt med fugt, medfører det ændringer i dets fysiske og kemiske egenskaber, især viskositeten. Viskositeten spiller en afgørende rolle i polymerforarbejdningen, da den bestemmer PA-materialets flydeegenskaber under forarbejdningen. Derfor er det afgørende at forstå sammenhængen mellem fugtindhold og viskositet for at kunne optimere forarbejdningsparametrene for PA og sikre kvaliteten af det færdige produkt.

Et kapillærreometer, som er et almindeligt anvendt instrument til test af polymers materialers reologiske egenskaber, kan præcist måle materialernes reologiske egenskaber over et bredt spektrum af forskydningshastigheder og temperaturer. I denne undersøgelse blev der anvendt et Rosand RH10 kapillærreometer fra NETZSCH til systematisk at undersøge vandindholdets indflydelse på PA-viskositeten. Dette giver værdifuld indsigt i fugtighedens indvirkning på PA’s reologiske egenskaber. Sådanne resultater bidrager ikke blot til optimering af forarbejdningsbetingelserne for højtydende PA-materialer, men udgør også en vigtig reference for den teknologiske udvikling inden for polymerforarbejdningsindustrien.

Målebetingelser og prøvningsmetode

Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.

Tabel 1: Målebetingelser

Efter at matricerne var blevet monteret under den venstre cylinder, og man havde ventet på, at temperaturen var stabiliseret, blev der langsomt tilsat PA-granulat til cylinderen, som først blev sat under tryk til 1 MPa og derefter forvarmet ved en konstant temperatur i 5 minutter. Forsøget blev påbegyndt efter dette kompressionstrin.

Måleresultater og diskussion

Figur 2 viser kurverne for den tilsyneladende forskydningsviskositet i forhold til den tilsyneladende forskydningshastighed for PA-prøver, der er blevet underkastet forskellige behandlinger ved 280 °C. Det fremgår af figuren, at forskydningsviskositeten for de ubehandlede og tørrede PA-prøver gradvist falder med stigende forskydningshastighed, hvilket udviser en typisk forskydningsfortyndende adfærd. Dette skyldes, at udfiltringen af de makromolekylære PA-kæder intensiveres, efterhånden som forskydningshastigheden stiger, hvilket fører til et hurtigt fald i forskydningsviskositeten.

Da amidgruppen i PA’s hovedmolekylkæde desuden er en polær gruppe, der kan danne hydrogenbindinger med vandmolekyler, udviser PA en meget stærk vandabsorption. Som det også fremgår af figur 2, er forskydningsviskositeten for den ubehandlede PA-prøve lavere end for den behandlede PA-prøve. Dette skyldes primært det højere vandindhold i den ubehandlede PA-prøve.

Vandmolekyler kan imidlertid danne hydrogenbindinger med amidgrupperne og dermed erstatte hydrogenbindingerne mellem molekylkæderne. Dette reducerer tætheden af hydrogenbindinger mellem kæderne og fungerer som en fysisk blødgører (som det fremgår af den lavere_Tg-værdi i den ubehandlede prøves DSC-kurve i figur 3), hvilket derved øger mobiliteten af PA-kædesegmenter, dvs. reducerer modstanden mod relativ glidning af PA-molekylkæder under strømning. Som følge heraf falder PA-smeltens forskydningsviskositet. PA er derimod et produkt, der fremstilles ved dehydreringskondensation. Ved høje temperaturer kan vandmolekyler reagere kemisk med amidbindingerne på PA-molekylkæderne, hvilket fører til kædespaltning. Dette er også den omvendte reaktion af syntesen. Reduktionen i PA’s molekylvægt fører uundgåeligt til et fald i dets smelteskærviskositet.