Dyk ned i det grundlæggende i termoplastens reologi

Reologi er videnskaben om at studere materialers flow og deformation med udgangspunkt i lovene om elasticitet og viskositet, der blev foreslået af Hooke og Newton i slutningen af det ¹⁷. århundrede. Termoplastiske polymersmelter bruges i vid udstrækning i mange moderne industrielle processer til fremstilling af en lang række genstande. Polymerer bruges, fordi de er relativt billige at forme til komplekse former i smeltet tilstand. Men vi er nødt til at forstå, hvordan de flyder, når de bliver behandlet [1].

Indflydelsesrige faktorer på polymerens flowadfærd

Polymerer er komplicerede materialer at karakterisere reologisk, fordi der er mange faktorer, der påvirker deres flydeegenskaber. Eksempler på faktorer, der påvirker strømningsadfærden, kan være behandlingstemperatur, strømningshastighed, opholdstid osv.

Desuden er polymerers reologiske egenskaber en mellemting mellem en væske og et fast stof. Dette fører til tidsafhængighed af flydeegenskaberne og andre vigtige egenskaber, hvoraf nogle diskuteres nedenfor [1].

Vigtige reologiske egenskaber ved polymerer

Det er velkendt, atsmelteviskositeten er kritisk afhængig af temperaturen. Ved at sænke temperaturen i en form, indtil den del, der produceres, har en mat finish, kan procesingeniøren lære den minimumstemperatur (og dermed maksimale harpiksviskositet), hvor processen kan køres, uden at overfladefejl bliver synlige. Hvis man sænker temperaturen i formen, sparer man energi og kan reducere cyklustiderne, og derfor er en forståelse af smelteviskositetens temperaturafhængighed meget nyttig.

Det er kendt, at polymersmelter svulmer op, når de ekstruderes. Dette fænomen viser sig som en forøgelse af ekstrudatets diameter, når det har forladt en dyse. Mængden af matricesvulst er relateret til mængden af elastisk deformation af materialet ved indgangen til matricen. Et andet faktum, der skal tages i betragtning, er, at graden af dyseopsvulmning (mere korrekt ekstrudatopsvulmning) er afhængig af dyseens længde, når materialet ekstruderes ved konstant gennemstrømning. Med andre ord udviser polymersmelter tidsafhængighed, da materialet glemmer den elastiske deformation, der blev påført ved indgangen til matricen, og jo mere tid materialet tilbringer i matricen, jo mindre bliver opsvulmningen af matricen.

Smelteelasticitet kan også have dybtgående konsekvenser for mange andre polymerprocesser, f.eks:

• Blæsestøbning, hvor vægtykkelsen på den blæste komponent afhænger af den grad af opsvulmning, der har fundet sted under ekstruderingsprocessen, før formen lukkes.
• Vakuumformning eller termoformning, hvor polymeren skal bevare en vis elasticitet for at forhindre, at materialet falder sammen, før det trækkes med vakuum over koldformningsværktøjet. Hvis materialet ikke har tilstrækkelig elasticitet, vil det sandsynligvis komme i kontakt med den afkølede form, før vakuumet eller trykket påføres [1].

Hvordan man karakteriserer polymerens smelteadfærd

Polymerens forarbejdningsegenskaber afhænger også af koncentrationen af smøremidler, blødgørere, fyldstoffer og andre komponenter i det stof, der forarbejdes. Ud fra denne korte introduktion kan man forstå, at en korrekt karakterisering af polymerens smelteadfærd sandsynligvis vil kræve sofistikerede og alsidige instrumenter.

Set fra reologens synspunkt kan polymerens flydeadfærd nemt opdeles i tre komponenter: Forskydnings- og strækningsflow, som er karakteriseret ved de tilsvarende viskositeter og elastisk adfærd, som er karakteriseret ved måling af modulus eller svulmeforhold [1].

Den rigtige instrumentering er nøglen

For at karakterisere et materiale fuldt ud kræves der instrumenter, som kan udtrække disse parametre over en række temperaturer og forskydnings-/udvidelseshastigheder. Moderne reologiske laboratorietestapparater kan inddeles i to brede kategorier: Kinexus rotationsreometre og Rosand kapillarreometre. Desuden giver instrumenter til termisk analyse som differentiel scanningskalorimetri, dynamisk mekanisk analyse og termomekanisk analyse også værdifuld indsigt i materialeegenskaber.

I den næste artikel kan du læse, hvordan vores Kinexus rotationsreometer kan bruges til at karakterisere termoplast.

Kilde

[1] Reologitestning af polymerer og bestemmelse af egenskaber ved hjælp af rotationsreometre og kapillære ekstruderingsreometre (azom.com)

Tak til Dr. Bob Marsh (tidligere ansat hos Malvern Panalytical), som er den oprindelige forfatter til denne artikel!