Εισαγωγή
Μια μέτρηση ιξωδομετρίας προσδιορίζει το διατμητικό ιξώδες ενός υλικού. Σε αυτόν τον τύπο δοκιμής, ένα δείγμα τοποθετείται μεταξύ δύο πλακών. Η άνω πλάκα περιστρέφεται με καθορισμένο ρυθμό διάτμησης (ή διατμητική τάση), βλέπε Σχήμα 1. Ο ρυθμός διάτμησης προσδιορίζεται χρησιμοποιώντας τη γωνιακή ταχύτητα V, της άνω πλάκας καθώς και την απόσταση h, μεταξύ των δύο πλακών. Η διατμητική τάση που απαιτείται για να προκληθεί αυτός ο ρυθμός διάτμησης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την εφαρμοζόμενη ροπή F.
Μια τέτοια μέτρηση μπορεί να πραγματοποιηθεί ως ελεγχόμενη με ρυθμό διάτμησης, όπως εξηγείται ανωτέρω, ή ως ελεγχόμενη με διατμητική τάση.
Στην περίπτωση αυτή, εφαρμόζεται η διατμητική τάση και προσδιορίζεται ο ρυθμός διάτμησης.
Ανεξάρτητα από τον τρόπο ελέγχου, ο προσδιορισμός του ιξώδους διάτμησης είναι δυνατός με τον ακόλουθο τύπο:
Το εύρος του ρυθμού διάτμησης μιας τέτοιας μέτρησης είναι περιορισμένο. Εάν η φυγόκεντρος δύναμη (που τείνει να μετακινήσει το υλικό προς τα έξω) υπερβαίνει την κανονική δύναμη (που ωθεί την ανώτερη γεωμετρία προς τα πάνω), το δείγμα μπορεί να εκτιναχθεί έξω από το διάκενο μέτρησης. Στην περίπτωση αυτή, η προκύπτουσα καμπύλη ιξώδους πρέπει να αξιολογείται με μεγάλη προσοχή. Η καμπύλη διατμητικής τάσης είναι ένας από τους δείκτες που δείχνουν την εγκυρότητά της. Επειδή πρέπει πάντα να αυξάνεται με την αύξηση των ρυθμών διάτμησης, η μείωση της διατμητικής τάσης υποδεικνύει το όριο του εύρους μέτρησης.
Το Σχήμα 2 απεικονίζει ένα παράδειγμα αυτής της συμπεριφοράς. Εδώ, ένα πολυμερές τήγμα (PEEK) μετρήθηκε σε περιστροφή μεταξύ 0,1 και 100 s-1. Η μείωση της διατμητικής τάσης από τα 50 s-1 υποδεικνύει την εκτίναξη του δείγματος (γνωστή και ως θραύση του δείγματος), επειδή η διατμητική τάση αρχίζει να πέφτει σε αυτό το σημείο. Επομένως, οι τιμές ιξώδους πάνω από αυτή τη διατμητική ταχύτητα δεν είναι έγκυρες και αντιπροσωπευτικές του δείγματος.
Πώς επιτυγχάνεται ιξώδες διάτμησης σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης
Ένας εύκολος τρόπος για να λάβετε αποτελέσματα σε ρυθμούς διάτμησης υψηλότερους από 50 s-1 (σε ένα περιστροφικό ρεόμετρο) είναι να χρησιμοποιήσετε τον κανόνα Cox-Merz. Αυτή η εμπειρική σχέση ορίζει ότι για τα περισσότερα μη πληρωμένα πολυμερή τήγματα, το ιξώδες διάτμησης η μπορεί να προβλεφθεί από το σύνθετο ιξώδες η*. Μια εναλλακτική λύση για τη μέτρηση της συμπεριφοράς ροής σε ταχύτερες συνθήκες επεξεργασίας ή υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ενός τριχοειδούς ρεομέτρου υψηλής πίεσης.
Τι είναι το σύνθετο ιξώδες
Το σύνθετο ιξώδες λαμβάνεται με μέτρηση ταλάντωσης. Σε αυτή τη δοκιμή, η ανώτερη γεωμετρία δεν περιστρέφεται πλέον, αλλά ταλαντώνεται σε μια καθορισμένη συχνότητα (εικόνα 3).
Η διαφορά (υστέρηση/φάση δ) στο ημιτονοειδές σήμα εισόδου και εξόδου καθορίζει τις ιδιότητες του υλικού του δείγματος (σχήμα 4). Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιούνται για πλάτη που είναι small αρκετά ώστε να μην καταστρέφεται η δομή του δείγματος, έτσι ώστε η εφαρμοζόμενη παραμόρφωση και η προκύπτουσα τάση να είναι ανάλογες και η συχνότητα της απόκρισης να είναι ίση με εκείνη της συχνότητας εισόδου.
Μέσω αυτού του τύπου δοκιμής, ποσοτικοποιούνται οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες του υλικού, για παράδειγμα η δυσκαμψία του1 που δίνεται από το λεγόμενο σύνθετο μέτρο ελαστικότητας, G*. Το σύνθετο ιξώδες, η*, είναι:
Σύνθετο ιξώδες και διατμητικό ιξώδες: Cox-Merz
Ο κανόνας Cox-Merz μπορεί να συνοψιστεί στην ακόλουθη σχέση:
Εκφρασμένο με λέξεις, αυτό σημαίνει ότι το αποτέλεσμα του ιξώδους διάτμησης ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης (που λαμβάνεται με περιστροφή) είναι ισοδύναμο με το αποτέλεσμα του μιγαδικού ιξώδους ως συνάρτηση της γωνιακής συχνότητας (που λαμβάνεται με ταλάντωση). Επομένως, είναι δυνατόν να ληφθεί το ιξώδες διάτμησης για ρυθμούς διάτμησης υψηλότερους από το όριο της μέτρησης με περιστροφή, το οποίο ήταν 50 s-1 για το παράδειγμα που παρουσιάζεται στο παρόν άρθρο.
Στο Σχήμα 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων περιστροφής και ταλάντωσης για το δείγμα PEEK σε συνάρτηση με το ρυθμό διάτμησης και τη γωνιακή συχνότητα στην ίδια κλίμακα. Είναι σύνηθες ότι τέτοιες καμπύλες εμφανίζονται μόνο ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης με παρατήρηση του κανόνα Cox-Merz. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στο Σχήμα 5 υποδεικνύουν ότι στο χαμηλότερο εύρος ρυθμών διάτμησης, το σύνθετο ιξώδες και το ιξώδες διάτμησης βρίσκονται σε καλή συμφωνία. Σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης, λαμβάνεται μια ακριβέστερη τιμή του ιξώδους διάτμησης χρησιμοποιώντας τον κανόνα Cox-Merz στο σύνθετο ιξώδες (πορτοκαλί γραμμή). Η πιο έντονη μείωση του ιξώδους διάτμησης (μπλε γραμμή) οφείλεται στη θραύση του δείγματος, όπως εξηγήθηκε παραπάνω.
Συμπέρασμα
Το παράδειγμα που παρουσιάζεται δείχνει μια καλή συμφωνία μεταξύ του ιξώδους διάτμησης και του σύνθετου ιξώδους στην περιοχή χαμηλών ρυθμών διάτμησης. Μόλις το υλικό αρχίσει να ρέει έξω από το διάκενο κατά την περιστροφή, το ιξώδες δεν μπορεί πλέον να προσδιοριστεί με αυτόν τον τύπο μέτρησης. Ο κανόνας Cox-Merz, ωστόσο, επιτρέπει τον προσδιορισμό των τιμών του ιξώδους διάτμησης με μέτρηση ταλάντωσης.