Εισαγωγή
Το πολυαμίδιο (PA), ως εξαιρετικά σημαντικό τεχνικό πλαστικό, χρησιμοποιείται ευρέως σε τομείς όπως τα εξαρτήματα αυτοκινήτων, τα ηλεκτρονικά προϊόντα, τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και τα υλικά συσκευασίας, χάρη στις εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητές του, καθώς και στη χημική και θερμική του σταθερότητα. Ωστόσο, η απορρόφηση υγρασίας αποτελεί ένα συνηθισμένο πρόβλημα κατά την επεξεργασία του PA. Όταν το PA έρχεται σε επαφή με την υγρασία, αυτό οδηγεί σε αλλαγές στις φυσικές και χημικές του ιδιότητες, ιδίως στο ιξώδες. Το ιξώδες διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στην επεξεργασία των πολυμερών, καθώς καθορίζει τη συμπεριφορά ροής του υλικού PA κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Επομένως, η κατανόηση της σχέσης μεταξύ περιεκτικότητας σε υγρασία και ιξώδους είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων επεξεργασίας του PA και τη διασφάλιση της ποιότητας του τελικού προϊόντος.
Ένα τριχοειδές ρεόμετρο, ως ένα συχνά χρησιμοποιούμενο όργανο για τη δοκιμή των ρεολογικών ιδιοτήτων των πολυμερών υλικών, μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τις ρεολογικές ιδιότητες των υλικών σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών διάτμησης και θερμοκρασιών. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ένα τριχοειδές ρεόμετρο Rosand RH10 της εταιρείας NETZSCH για τη συστηματική διερεύνηση της επίδρασης της περιεκτικότητας σε νερό στο ιξώδες του PA. Αυτό παρέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις επιδράσεις της υγρασίας στις ρεολογικές ιδιότητες του PA. Τα ευρήματα αυτά όχι μόνο συμβάλλουν στη βελτιστοποίηση των συνθηκών επεξεργασίας για υλικά PA υψηλής απόδοσης, αλλά προσφέρουν επίσης σημαντική αξία αναφοράς για την τεχνολογική πρόοδο στη βιομηχανία επεξεργασίας πολυμερών.
Συνθήκες μέτρησης και μέθοδος δοκιμής
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | NETZSCH Rosand RH10 |
| Δείγματα | PA |
Πίεση μετατροπέας | 5000 psi |
| Προδιαγραφές μήτρας | Μήκος L = 16 mm, Διάμετρος D = 1 mm |
| Θερμοκρασία δοκιμής | 280 °C |
| Εύρος ρυθμού διάτμησης | 10 - 3000 s⁻¹ |
Αφού τοποθετήθηκαν τα καλούπια κάτω από τον αριστερό κύλινδρο και αφού περιμέναμε να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία, προστέθηκαν σταδιακά σφαιρίδια PA στον κύλινδρο, ο οποίος είχε προ-υπερπιεστεί στα 1 MPa, και στη συνέχεια προθερμάνθηκε σε σταθερή θερμοκρασία για 5 λεπτά. Η δοκιμή ξεκίνησε μετά από αυτό το στάδιο συμπίεσης.
Αποτελέσματα μετρήσεων και συζήτηση
Το Σχήμα 2 παρουσιάζει τις καμπύλες του φαινομενικού ιξώδους διάτμησης σε συνάρτηση με τον φαινομενικό ρυθμό διάτμησης για δείγματα PA που υποβλήθηκαν σε διαφορετικές επεξεργασίες στους 280 °C. Από το σχήμα διαπιστώνεται ότι το ιξώδες διάτμησης των μη επεξεργασμένων και των ξηραμένων δειγμάτων PA μειώνεται σταδιακά με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, παρουσιάζοντας μια τυπική συμπεριφορά αραίωσης υπό διάτμηση. Αυτό συμβαίνει επειδή η αποσύμπλεξη των μακρομοριακών αλυσίδων του PA εντείνεται καθώς αυξάνεται ο ρυθμός διάτμησης, οδηγώντας σε ταχεία μείωση του ιξώδους διάτμησης.
Επιπλέον, δεδομένου ότι η αμιδική ομάδα στην κύρια μοριακή αλυσίδα του PA αποτελεί πολική ομάδα ικανή να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού, το PA παρουσιάζει πολύ ισχυρή απορρόφηση νερού. Όπως φαίνεται επίσης στο Σχήμα 2, το ιξώδες διάτμησης του μη επεξεργασμένου δείγματος PA είναι χαμηλότερο από αυτό του επεξεργασμένου δείγματος PA. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλότερη περιεκτικότητα σε νερό του μη επεξεργασμένου δείγματος PA.
Ωστόσο, τα μόρια νερού μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με τις αμιδικές ομάδες, αντικαθιστώντας τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μοριακών αλυσίδων. Αυτό μειώνει την πυκνότητα των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των αλυσίδων, λειτουργώντας ως φυσικός πλαστικοποιητής (όπως αποδεικνύεται από τη χαμηλότερη τιμήTg στην καμπύλη DSC του μη επεξεργασμένου δείγματος στο Σχήμα 3), ενισχύοντας έτσι την κινητικότητα των τμημάτων της αλυσίδας PA, δηλαδή μειώνοντας την αντίσταση στη σχετική ολίσθηση των μοριακών αλυσίδων PA κατά τη ροή. Κατά συνέπεια, το ιξώδες διάτμησης του τετηγμένου PA μειώνεται. Από την άλλη πλευρά, το PA είναι ένα προϊόν που λαμβάνεται μέσω συμπύκνωσης αφυδάτωσης. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα μόρια νερού μπορούν να αντιδράσουν χημικά με τους αμιδικούς δεσμούς στις μοριακές αλυσίδες του PA, οδηγώντας σε διάσπαση της αλυσίδας. Αυτή είναι επίσης η αντίστροφη αντίδραση της σύνθεσής του. Η μείωση του μοριακού βάρους του PA οδηγεί αναπόφευκτα σε μείωση του ιξώδους διάτμησης του τετηγμένου υλικού.
Το ιξώδες διάτμησης είναι μια ιδιότητα του υλικού που περιγράφει το βαθμό αντίστασης ενός ρευστού στη παραμόρφωση υπό διάτμηση.
Το φαινόμενο ιξώδες διάτμησης είναι η τιμή ιξώδους που παρατηρείται ή υπολογίζεται σε συγκεκριμένο ρυθμό διάτμησης, ειδικά για ρευστά των οποίων το ιξώδες μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες ροής.
Το τριχοειδές ρεόμετρο Rosand με διπλή οπή επιτρέπει τη διόρθωση της μη νευτώνειας συμπεριφοράς και των φαινομένων εισόδου, για τον άμεσο προσδιορισμό του ιξώδους διάτμησης.
Συμπέρασμα
Στη μελέτη αυτή αξιολογήθηκαν οι ρεολογικές ιδιότητες αποξηραμένων και μη επεξεργασμένων υλικών PA με τη χρήση του ρεομέτρου Rosand RH10 της εταιρείας « NETZSCH ». Διαπιστώθηκε ότι η περιεκτικότητα σε υγρασία επηρεάζει σημαντικά το ιξώδες διάτμησης των δειγμάτων PA. Τα δείγματα PA που αποξηράθηκαν σε φούρνο παρουσίασαν σημαντικά υψηλότερο ιξώδες διάτμησης σε σύγκριση με τα δείγματα που δεν είχαν αποξηραθεί.