Undersøgelse af sammenhængen mellem viskositet og temperatur hos PP ved hjælp af kapillær reometri

Indledning

Polypropylen (PP) er en vigtig plasttype til generelle formål, der har fundet bred anvendelse inden for bilindustrien, emballageindustrien, elektronikindustrien, tekstilindustrien og andre brancher på grund af sine fremragende mekaniske egenskaber, kemiske stabilitet og forarbejdningsegenskaber. For yderligere at optimere forarbejdningen af PP-materialer og forbedre produktkvaliteten og ydeevnen er det imidlertid af stor praktisk betydning at gennemføre indgående undersøgelser af PP's reologiske adfærd.

Viskositet, som er en afgørende indikator for polymerers flydeadfærd, er tæt forbundet med materialebearbejdningen. I forskellige fremstillingsprocesser skal PP flyde og tage form inden for bestemte temperaturintervaller. Derfor giver en præcis forståelse af, hvordan PP's viskositet varierer med temperaturen, ingeniører mulighed for nøjagtigt at styre bearbejdningsparametrene, hvilket sikrer optimal flydeevne og støbekvalitet af PP under produktionen.

Kapillærreometeret, et classic reologisk testinstrument, anvendes i vid udstrækning inden for polymerforskning på grund af dets evne til at måle materialers reologiske egenskaber over et bredt spektrum af forskydningshastigheder og temperaturer. I denne undersøgelse blev der anvendt et kapillærreometer af typen Rosand RH10 fra NETZSCH (figur 1) til systematisk at undersøge virkningerne af temperatur og forskydningshastighed på smelteviskositeten og aktiveringsenergien for viskøs strømning af PP. Resultaterne danner et teoretisk grundlag for optimering af PP-forarbejdningsparametre, hvilket i sidste ende forbedrer kvaliteten og ydeevnen af PP-produkter.

Målebetingelser og prøvningsmetode

Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.

Tabel 1: Målebetingelser

Efter at matricerne var monteret under den venstre cylinder, og temperaturen havde stabiliseret sig, blev der langsomt tilsat PP-granulat til cylinderen, som blev sat under tryk til 1 MPa og derefter forvarmet ved en konstant temperatur i 5 minutter. Herefter gennemførte instrumentet automatisk forsøget, hvor det påførte forskydningshastigheden og registrerede trykket.

Måleresultater og diskussion

Figur 2 viser kurverne for forskydningsviskositet i forhold til forskydningshastighed for PP-prøver ved forskellige temperaturer. Som det fremgår af figur 2, falder PP-prøvernes forskydningsviskositet under alle temperaturforhold gradvist med stigende forskydningshastighed, hvilket viser en typisk forskydningsfortyndende adfærd. Dette fænomen opstår, fordi udfiltreringen af de makromolekylære PP-kæder intensiveres ved højere forskydningshastigheder, hvilket fører til et hurtigt fald i forskydningsviskositeten. Men når forskydningshastigheden øges yderligere, mindskes forskydningsspændingens effektivitet med hensyn til at fremme makromolekylær udfiltring, hvilket resulterer i, at den faldende tendens i forskydningsviskositeten bremses.

Desuden falder PP-prøvernes forskydningsviskositet markant med stigende temperatur ved samme forskydningshastighed. Dette skyldes, at det frie volumen i PP-smelten øges, når temperaturen stiger, hvilket øger kædesegmenternes bevægelighed og mindsker den intermolekylære vekselvirkningskraft, hvorved PP’s flydeevne forbedres. Forskellen i forskydningsviskositetsværdierne ved forskellige temperaturer mindskes dog mærkbart, når forskydningshastigheden overstiger 500 ^s-1. Især når forskydningshastigheden øges til 5000 ^s-1, har forskydningsviskositetskurverne ved forskellige temperaturer en tendens til at overlappe hinanden, og den faldende tendens i forskydningsviskositeten bliver langsommere. Dette indikerer, at PP's forskydningsviskositets følsomhed over for temperaturen falder ud over en kritisk forskydningshastighed, hvilket tyder på et udvidet forarbejdningstemperaturvindue for PP inden for dette forskydningshastighedsinterval.

Aktiveringsenergien for viskøs strømning (_Eη) er en indikator for, hvor følsom en polymersmeltes tilsyneladende forskydningsviskositet er over for temperaturen. En højere _Eη-værdi betyder, at smelteviskositeten er mere følsom over for temperaturvariationer, mens en lavere værdi tyder på en reduceret temperaturafhængighed. _Eη kan beregnes ved hjælp af Arrhenius-ligningen (1):

hvor _ηa er smelteviskositeten; _Eη er aktiveringsenergien for viskøs strømning; R er gaskonstanten (8,314 ^{J·mol⁻¹·K⁻¹}); A er en temperaturuafhængig konstant.

På baggrund af de data, der er målt i figur 2, blev der udarbejdet og tilpasset kurver for _lgηa i forhold til 1/T. Derfor præsenteres kurverne for forholdet _lgηa ~1/T ved forskellige forskydningshastigheder i figur 3, hvor de specifikke værdier er angivet i tabel 2. Som det fremgår, kan Eη for PP ved forskellige forskydningshastigheder bestemmes ud fra hældningerne på de tilpassede lineære kurver i figur 3, hvor de specifikke værdier er angivet i tabel 2. _Eη for PP falder med stigende forskydningshastighed inden for det testede temperaturområde. Dette indikerer, at forskydningsviskositeten af PP-smelten er mindre følsom over for temperatur ved høje forskydningshastigheder. Set ud fra et molekylært dynamikperspektiv kan dette fænomen forklares ved, at eksterne forskydningskræfter bryder sammenfiltringen mellem PP-molekylerne og derved mindsker forskydningsviskositetens følsomhed over for temperaturen. Dette afspejles i viskositetskurverne (figur 2), hvor kurverne ved forskellige temperaturer næsten overlapper hinanden ved høje forskydningshastigheder. Derfor viser det sig, at en stigende temperatur har mindre effekt på at reducere PP-smeltens forskydningsviskositet ved høje forskydningshastigheder. Derimod kan en stigende temperatur ved lave forskydningshastigheder forbedre PP’s flydeevne betydeligt og dermed reducere energiforbruget under forarbejdningen.

Tabel 2:_Eη for PP ved forskellige forskydningshastigheder

Konklusion

I denne anvendelsesvejledning blev de reologiske egenskaber ved PP ved forskellige temperaturer og forskydningshastigheder undersøgt ved hjælp af et Rosand RH10 kapillærreometer. Ved relativt lave forskydningshastigheder (10 til 500 ^s-1) falder PP's forskydningsviskositet markant med stigende forskydningshastighed, mens faldet i forskydningsviskositeten ved høje forskydningshastigheder (500 til 10.000 ^s-1) bliver mere gradvist. Desuden falder _Eη for PP med stigende forskydningshastighed, hvilket indikerer, at højere forskydningshastigheder effektivt reducerer temperaturfølsomheden af PP's smelteviskositet.