Ρεολογία πολυμερών και μοριακή μάζα

Εισαγωγή

Η εξώθηση, η χύτευση με έγχυση και η χύτευση με συμπίεση είναι όλες διαδικασίες που εξαρτώνται από το ιξώδες ενός υλικού, δηλαδή την αντίστασή του στη ροή. Ωστόσο, το ιξώδες δεν επηρεάζει μόνο την επεξεργασία, αλλά και τα μηχανικά χαρακτηριστικά του τελικού προϊόντος. Ειδικότερα, η μοριακή μάζα και το ιξώδες συνδέονται στενά.

Στη συνέχεια, τρία διαφορετικά υλικά PEEK ταξινομούνται ανάλογα με τη μοριακή τους μάζα χρησιμοποιώντας μετρήσεις ταλάντωσης σε ένα ρεόμετρο περιστροφής Kinexus.

Συνθήκες μέτρησης

Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις συχνότητας σε τρία υλικά, τα οποία ονομάστηκαν PEEK 1, PEEK 2 και PEEK 3. Η τάση (ή η πίεση) που εφαρμόζεται στο δείγμα πρέπει να είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μην καταστρέφει τη δομή του δείγματος, έτσι ώστε η μέτρηση να πραγματοποιείται εντός του γραμμικού-βισκοελαστικού εύρους (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER). Μια σάρωση πλάτους χρησιμεύει ως προκαταρκτική μέτρηση για τον προσδιορισμό του ορίου Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER. Στον πίνακα 1 απεικονίζονται οι συνθήκες της σάρωσης πλάτους και της σάρωσης συχνότητας.

Πίνακας 1: Συνθήκες των μετρήσεων ταλάντωσης

Σάρωση πλάτους: LVER (Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή)

Στο Σχήμα 1 απεικονίζονται οι καμπύλες που προκύπτουν από τη σάρωση πλάτους στο PEEK 1 ως συνάρτηση της διατμητικής παραμόρφωσης. Για διατμητικές παραμορφώσεις μέχρι περίπου 30% - που αντιστοιχούν σε διατμητική τάση περίπου 10.000 Pa - το μέτρο ελαστικής διάτμησης G´ παραμένει σταθερό, γεγονός που υποδηλώνει ότι το υλικό βρίσκεται σε Γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή (LVER)Στο LVER, οι εφαρμοζόμενες τάσεις δεν επαρκούν για να προκαλέσουν δομική διάσπαση (yielding) της δομής και, ως εκ τούτου, μετρούνται σημαντικές μικροδομικές ιδιότητες.LVER. Η μείωση του G´ για υψηλότερες διατμητικές τάσεις οφείλεται στη διάσπαση της δομής του δείγματος. Για την ακόλουθη σάρωση συχνότητας, μια διατμητική τάση 1.000 Pa είναι selected.

Σάρωση συχνότητας

Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται οι καμπύλες των ελαστικών και διατμητικών ιδιομορφών απώλειας, εκτός από τη γωνία φάσης, κατά τη διάρκεια μιας σάρωσης συχνότητας του υλικού PEEK 1. Στην κατεύθυνση των χαμηλότερων συχνοτήτων, το μέτρο διάτμησης απωλειών κυριαρχεί του μέτρου ελαστικής διάτμησης, με αποτέλεσμα η γωνία φάσης να είναι υψηλότερη από 45°C. Οι καμπύλες G' και G" διασταυρώνονται σε συχνότητα 15 Hz. Εδώ, το υλικό μεταβαίνει από μια κατάσταση με κυρίαρχο το υγρό, στην οποία οι πολυμερικές αλυσίδες έχουν χρόνο να αποδιαταχθούν (χαμηλές συχνότητες), σε μια κατάσταση με κυρίαρχο το στερεό, όπου οι αλυσίδες είναι αλληλοσυνδεδεμένες και συμπεριφέρονται σαν δίκτυο (υψηλές συχνότητες).

Ορισμένοι ορισμοί

G*: Μιγαδικό μέτρο διάτμησης
G':
G": Μέτρο διάτμησης απωλειών, ιξώδης συνεισφορά στο G*
δ: Γωνία φάσης

Η γωνία φάσης δ (δ = G"/G') είναι ένα σχετικό μέτρο των ιξωδών και ελαστικών ιδιοτήτων ενός υλικού. Αν κυμαίνεται από 0° για ένα πλήρως ελαστικό υλικό έως 90° για ένα πλήρως ιξώδες υλικό.

Στα Σχήματα 3 και 4 απεικονίζεται η σάρωση συχνότητας των δειγμάτων PEEK 2 και 3 υπό τις ίδιες συνθήκες. Οι καμπύλες που προκύπτουν και για τα δύο υλικά είναι πολύ παρόμοιες και διαφέρουν από το πρώτο δείγμα. Κατά τη διάρκεια της πλήρους μέτρησης, το ιξώδες μέτρο διάτμησης (G") κυριαρχεί του ελαστικού μέτρου διάτμησης (G'), με αποτέλεσμα η γωνία φάσης (δ) να είναι μεγαλύτερη από 45°. Προς την κατεύθυνση των χαμηλότερων συχνοτήτων, η γωνία φάσης αυξάνεται για να φθάσει σχεδόν στη μέγιστη τιμή της 90°. Με άλλα λόγια, στις χαμηλές συχνότητες (ή στις μακρόχρονες κλίμακες), το δείγμα συμπεριφέρεται σαν ένα σχεδόν αμιγώς ιξώδες ρευστό χωρίς ελαστικές ιδιότητες. Δεν εντοπίστηκε καμία διασταύρωση στο μετρούμενο εύρος συχνοτήτων, ωστόσο, είναι πιθανό να υπάρχει σε υψηλότερες συχνότητες, επειδή οι καμπύλες G´ και G" τείνουν η μία προς την άλλη με την αύξηση των συχνοτήτων. Η μοριακή μάζα των πολυμερών σχετίζεται με τη θέση της διασταύρωσης: Όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα της διασταύρωσης, τόσο υψηλότερη είναι η μοριακή μάζα.

Στην περίπτωση αυτή, το PEEK 1 έχει υψηλότερη μοριακή μάζα από το PEEK 2 και το PEEK 3. Τα PEEK 2 και PEEK 3 διαφέρουν ως προς τις τιμές του μέτρου ελαστικής διάτμησης. Είναι χαμηλότερο για το PEEK 2 από ό,τι για το PEEK 3 σε ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων που μετρήθηκε (διαφορά μεγαλύτερη από μία δεκαετία στα 0,01 Hz). Το μέτρο διάτμησης απώλειας του PEEK 2 είναι επίσης χαμηλότερο από το PEEK 3. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη δυσκαμψία για το PEEK 3.

Από το οροπέδιο μηδενικού ιξώδους διάτμησης στη μοριακή μάζα

Στο Σχήμα 5 συγκρίνεται το σύνθετο ιξώδες (η) και των τριών δειγμάτων. Οι καμπύλες του PEEK 1 και του PEEK 2 είναι σχεδόν παράλληλες, και οι δύο φθάνουν σε ένα νευτώνειο οροπέδιο στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων και παρουσιάζουν μια διατμητική αραιωτική συμπεριφορά σε υψηλότερες συχνότητες. Το επίπεδο του νευτώνιου πλατώ σχετίζεται με τη μοριακή μάζα του πολυμερούς: Όσο υψηλότερη είναι η μοριακή μάζα, τόσο υψηλότερο είναι το μηδενικό ιξώδες. [1]

Αντίθετα, το σύνθετο ιξώδες (η*) του δείγματος 1 συνεχίζει να αυξάνεται με τη μείωση των συχνοτήτων και το Νευτώνειο οροπέδιο εξακολουθεί να μην επιτυγχάνεται σε συχνότητα 0,01 Hz. Επιπλέον, για ολόκληρο το εύρος συχνοτήτων που μετρήθηκε, αυτό το υλικό PEEK παρουσιάζει υψηλότερο σύνθετο ιξώδες με διαφορά μεγαλύτερη από 1,5 δεκαετία από το δείγμα 2 στα 0,01 Hz.

Από το επίπεδο του πλατώ διατμητικού ιξώδους και των τριών δειγμάτων, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το PEEK 1 έχει υψηλότερη μοριακή μάζα, ακολουθούμενο από το PEEK 2 και το PEEK 3. Αυτό επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις καμπύλες G´ και G".

Συμπέρασμα

Η ρεολογική συμπεριφορά τριών δειγμάτων PEEK χαρακτηρίστηκε με τη χρήση του ρεομέτρου περιστροφής Kinexus. Διαφέρουν ως προς την τιμή του οροπεδίου ιξώδους μηδενικής διάτμησης του σύνθετου ιξώδους. Αυτό οφείλεται σε διαφορές στις μοριακές μάζες των υλικών.