Εισαγωγή
Το πολυπροπυλένιο (PP), ως βασικό πλαστικό γενικής χρήσης, χρησιμοποιείται ευρέως στους κλάδους της αυτοκινητοβιομηχανίας, της συσκευασίας, της ηλεκτρονικής, της κλωστοϋφαντουργίας και σε άλλους κλάδους, χάρη στις εξαιρετικές μηχανικές του ιδιότητες, τη χημική του σταθερότητα και τις δυνατότητες επεξεργασίας του. Ωστόσο, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω η επεξεργασία των υλικών PP και να βελτιωθεί η ποιότητα και η απόδοση του προϊόντος, έχει μεγάλη πρακτική σημασία η διεξαγωγή σε βάθος ερευνών σχετικά με τη ρεολογική συμπεριφορά του PP.
Το ιξώδες, ως κρίσιμος δείκτης της συμπεριφοράς ροής των πολυμερών, συνδέεται στενά με την επεξεργασία του υλικού. Σε διαφορετικές διαδικασίες κατασκευής, το PP πρέπει να ρέει και να διαμορφώνεται εντός συγκεκριμένων θερμοκρασιακών ορίων. Επομένως, η ακριβής κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το ιξώδες του PP μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία επιτρέπει στους μηχανικούς να ελέγχουν με ακρίβεια τις παραμέτρους επεξεργασίας, εξασφαλίζοντας τη βέλτιστη ρευστότητα και ποιότητα χύτευσης του PP κατά τη διάρκεια της παραγωγής.
Το τριχοειδές ρεόμετρο, ένα όργανο ρεολογικής δοκιμής της εταιρείας classic, χρησιμοποιείται ευρέως στην έρευνα των πολυμερών λόγω της ικανότητάς του να μετρά τις ρεολογικές ιδιότητες των υλικών σε ένα ευρύ φάσμα ρυθμών διάτμησης και θερμοκρασιών. Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ένα τριχοειδές ρεόμετρο Rosand RH10 ( NETZSCH ) (Εικόνα 1) για τη συστηματική διερεύνηση των επιδράσεων της θερμοκρασίας και του ρυθμού διάτμησης στο ιξώδες τήγματος και στην ενέργεια ενεργοποίησης της ιξώδους ροής του PP. Τα ευρήματα παρέχουν μια θεωρητική βάση για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων επεξεργασίας του PP, βελτιώνοντας τελικά την ποιότητα και την απόδοση των προϊόντων PP.
Συνθήκες μέτρησης και μέθοδος δοκιμής
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | NETZSCH Rosand RH10 |
| Δείγματα | PP |
Πίεση μετατροπέας | 10.000 psi |
| Προδιαγραφές μήτρας | Μήκος (L) = 16 mm, Διάμετρος (D) = 1 mm |
| Θερμοκρασία δοκιμής | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Εύρος ρυθμού διάτμησης | 10 - 10.000 s⁻¹ |
Αφού τοποθετήθηκαν τα καλούπια κάτω από τον αριστερό κύλινδρο και αφού περιμέναμε να σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία, προστέθηκαν σταδιακά σφαιρίδια PP στον κύλινδρο, τα οποία συμπιέστηκαν σε πίεση 1 MPa και στη συνέχεια προθερμάνθηκαν σε σταθερή θερμοκρασία για 5 λεπτά. Στη συνέχεια, το όργανο διεξήγαγε αυτόματα τη δοκιμή, εφαρμόζοντας τον ρυθμό διάτμησης και καταγράφοντας την πίεση.
Αποτελέσματα μετρήσεων και συζήτηση
Το Σχήμα 2 παρουσιάζει τις καμπύλες του ιξώδους διάτμησης σε συνάρτηση με τον ρυθμό διάτμησης για δείγματα PP σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 2, το ιξώδες διάτμησης των δειγμάτων PP υπό όλες τις θερμοκρασιακές συνθήκες μειώνεται σταδιακά με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, επιδεικνύοντας τυπική συμπεριφορά διάτμησης-αραίωσης. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αποσύνδεση των μακρομοριακών αλυσίδων του PP εντείνεται με την αύξηση των ρυθμών διάτμησης, οδηγώντας σε ταχεία μείωση του ιξώδους διάτμησης. Ωστόσο, με την περαιτέρω αύξηση του ρυθμού διάτμησης, η αποτελεσματικότητα της διατμητικής τάσης στην προώθηση της αποσύνδεσης των μακρομοριακών αλυσίδων μειώνεται, με αποτέλεσμα να επιβραδύνεται η πτωτική τάση του ιξώδους διάτμησης.
Επιπλέον, το ιξώδες διάτμησης των δειγμάτων PP μειώνεται σημαντικά με την αύξηση της θερμοκρασίας, με τον ίδιο ρυθμό διάτμησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, ο ελεύθερος όγκος του τετηγμένου PP αυξάνεται, γεγονός που ενισχύει την κινητικότητα των τμημάτων της αλυσίδας και μειώνει τη δύναμη της διαμοριακής αλληλεπίδρασης, βελτιώνοντας έτσι τη ρευστότητα του PP. Ωστόσο, η διαφορά στις τιμές του ιξώδους διάτμησης σε διαφορετικές θερμοκρασίες μειώνεται αισθητά όταν ο ρυθμός διάτμησης υπερβαίνει τα 500 s-1. Ειδικά όταν ο ρυθμός διάτμησης αυξάνεται στα 5000 s-1, οι καμπύλες ιξώδους διάτμησης σε διαφορετικές θερμοκρασίες τείνουν να αλληλεπικαλύπτονται και η πτωτική τάση του ιξώδους διάτμησης επιβραδύνεται. Αυτό υποδηλώνει ότι πέρα από έναν κρίσιμο ρυθμό διάτμησης, η ευαισθησία του ιξώδους διάτμησης του PP στη θερμοκρασία μειώνεται, υποδηλώνοντας ένα διευρυμένο εύρος θερμοκρασιών επεξεργασίας για το PP εντός αυτού του εύρους ρυθμών διάτμησης.
Η ενέργεια ενεργοποίησης της ιξώδους ροής (Eη) αποτελεί δείκτη της ευαισθησίας του φαινομενικού ιξώδους διάτμησης ενός λιωμένου πολυμερούς στη θερμοκρασία. Μια υψηλότερη τιμή Eη υποδηλώνει μεγαλύτερη ευαισθησία του ιξώδους του λιωμένου υλικού στις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, ενώ μια χαμηλότερη τιμή υποδηλώνει μειωμένη εξάρτηση από τη θερμοκρασία. Η Eη μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Arrhenius (1):
όπου ηa είναι το ιξώδες του τήγματος· Eη είναι η ενέργεια ενεργοποίησης της ιξώδους ροής· R είναι η σταθερά των αερίων (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹)· A είναι μια σταθερά ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία.
Με βάση τα δεδομένα που μετρήθηκαν στο Σχήμα 2, κατασκευάστηκαν και προσαρμόστηκαν διαγράμματα του lgηa ως προς το 1/T. Κατά συνέπεια, οι καμπύλες σχέσης lgηa ~1/T σε διαφορετικούς ρυθμούς διάτμησης παρουσιάζονται στο Σχήμα 3, με τις συγκεκριμένες τιμές να αναφέρονται στον Πίνακα 2. Όπως φαίνεται, το Eη του PP σε διάφορους ρυθμούς διάτμησης μπορεί να προσδιοριστεί από τις κλίσεις των προσαρμοσμένων γραμμικών καμπυλών στο Σχήμα 3, με τις συγκεκριμένες τιμές να αναφέρονται στον Πίνακα 2. Το Eη του PP μειώνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης εντός του ελεγχθέντος εύρους θερμοκρασιών. Αυτό υποδηλώνει ότι το ιξώδες διάτμησης του τετηγμένου PP είναι λιγότερο ευαίσθητο στη θερμοκρασία σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης. Από τη σκοπιά της μοριακής δυναμικής, το φαινόμενο αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι οι εξωτερικές δυνάμεις διάτμησης διαταράσσουν την εμπλοκή μεταξύ των μορίων PP, μειώνοντας έτσι την ευαισθησία του ιξώδους διάτμησης στη θερμοκρασία. Αυτό αντανακλάται στις καμπύλες ιξώδους (Σχήμα 2), όπου οι καμπύλες σε διαφορετικές θερμοκρασίες σχεδόν επικαλύπτονται σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης. Επομένως, η αύξηση της θερμοκρασίας αποδεικνύεται λιγότερο αποτελεσματική στη μείωση του ιξώδους διάτμησης του λιωμένου PP σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης. Αντίθετα, σε χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη ρευστότητα του PP, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας.
Πίνακας 2:Eη του PP σε διαφορετικούς ρυθμούς διάτμησης
| Ρυθμός διάτμησης (s-1) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Συμπέρασμα
Στην παρούσα Σημείωση Εφαρμογής, διερευνήθηκαν οι ρεολογικές ιδιότητες του PP σε διαφορετικές θερμοκρασίες και ρυθμούς διάτμησης, με τη χρήση ενός τριχοειδούς ρεομέτρου Rosand RH10. Σε σχετικά χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης (10 έως 500 s⁻¹), το ιξώδες διάτμησης του PP μειώνεται σημαντικά με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, ενώ σε υψηλούς ρυθμούς διάτμησης (500 έως 10.000 s⁻¹), η μείωση του ιξώδους διάτμησης γίνεται πιο σταδιακή. Επιπλέον, το Eη του PP μειώνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης, υποδεικνύοντας ότι οι υψηλότεροι ρυθμοί διάτμησης μειώνουν αποτελεσματικά την ευαισθησία του ιξώδους τήγματος του PP στη θερμοκρασία.