Ανάλυση θερμοπλαστικών με ένα περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus

Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους τα πολυμερή χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως είναι ότι είναι σχετικά φθηνό να διαμορφωθούν σε πολύπλοκα σχήματα στη λιωμένη κατάσταση, η οποία είναι μια τεράστια αλλαγή στη ρεολογία από ένα στερεό αρχικό υλικό σε ένα στερεό τελικό προϊόν. Ωστόσο, πρέπει να κατανοήσουμε πώς ρέουν όταν υφίστανται επεξεργασία με αυτόν τον τρόπο. Στο προηγούμενο άρθρο μας, συζητήθηκαν διάφορες ρεολογικές ιδιότητες των πολυμερών. Τώρα, θα ρίξουμε μια ματιά σε τρεις ιδιότητες που μπορούν να προσδιοριστούν με το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus.

Τα όργανα των περιστροφικών ρεομέτρων απαιτούν συνήθως ένα δείγμα small του προς εξέταση υλικού με τη μορφή δίσκου - τυπικές διαστάσεις είναι 25 mm διάμετρος και 1 mm πάχος. Το δείγμα τοποθετείται μεταξύ ενός ζεύγους παράλληλων πλακών ή άνω κώνου και κάτω πλάκας, η θερμοκρασία των οποίων μπορεί να διατηρηθεί με ακρίβεια ώστε να μιμείται τις συνθήκες που βιώνει το δείγμα κατά την επεξεργασία του [1].

Το Kinexus από το NETZSCH είναι ικανό για διάφορους τύπους δοκιμών ώστε να επιτρέπει τον πλήρη χαρακτηρισμό ενός υλικού σε ένα εύρος θερμοκρασιών και ρυθμών ροής. Παραδείγματα των διαθέσιμων τύπων δοκιμών είναι τα εξής:

Σχήμα 1: Καμπύλη ροής για το LDPE στους 190°C, όπου φαίνεται το χαμηλό πλάτωμα ταχύτητας διάτμησης για το ιξώδες. Το μέγεθος του ιξώδους μηδενικής διάτμησης σχετίζεται με το μέσο μοριακό βάρος του πολυμερούς

Καθορισμός καμπυλών ροής

Οι καμπύλες ροής μετρούν το ιξώδες διάτμησης σε σχέση με τον ρυθμό διάτμησης ή τη διατμητική τάση. Σε αρκετά χαμηλούς ρυθμούς διάτμησης, επιτυγχάνεται σταθερή τιμή για το ιξώδες. Αυτό το λεγόμενο ιξώδες μηδενικής διάτμησης έχει αποδειχθεί ότι εξαρτάται από το μέσο μοριακό βάρος του πολυμερούς και το μήκος του πλατώ (πόσο υψηλός είναι ο ρυθμός πριν μειωθεί το ιξώδες) είναι γνωστό ότι αντικατοπτρίζει το πλάτος της κατανομής του μοριακού βάρους [1].

Προσδιορισμός ιξώδους μηδενικής διάτμησης με δοκιμές ερπυσμού

Οιδοκιμές ερπυσμού (εφαρμογή σταθερής τάσης για καθορισμένο χρονικό διάστημα) αποτελούν εναλλακτικό μέσο για τον προσδιορισμό του ιξώδους μηδενικής διάτμησης. Όταν συνδυάζονται με δοκιμές ανάκτησης (απομάκρυνση της τάσης), οι δοκιμές αυτές επιτρέπουν τη μέτρηση της ποσότητας ελαστικότητας του δείγματος, επειδή ένα υλικό, λόγω της "ελαστικότητάς" του, θα αναδιπλωθεί και θα προσπαθήσει να ανακτήσει το αρχικό του σχήμα [1].

Σχήμα 2: Καμπύλη ερπυσμού (μπλε) & ανάκτησης (κόκκινο) του πολυπροπυλενίου στους 190ºC που επιτρέπει τον προσδιορισμό του ιξώδους μηδενικής διάτμησης και της ανακτήσιμης συμμόρφωσης ισορροπίας

Μέτρηση ιξωδών και ελαστικών ιδιοτήτων

Small πλάτους ημιτονοειδούς ταλάντωσης ως συνάρτηση της συχνότητας δοκιμής είναι μια γρήγορη και συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη μέτρηση των ιξωδών και ελαστικών ιδιοτήτων ενός πολυμερούς. Δύο παράμετροι αναφέρονται συχνότερα - το μέτρο ελαστικότητας (αποθήκευσης) και το μέτρο ιξώδους (απώλειας) (G''), τα οποία αντιπροσωπεύουν τους σχετικούς βαθμούς ανάκαμψης (ελαστική απόκριση) ή ροής (ιξώδης απόκριση) του υλικού καθώς μεταβάλλεται ο ρυθμός παραμόρφωσης (συχνότητα δοκιμής). Μια τυπική απόκριση για ένα πολυμερές τήγμα είναι να παρουσιάζει συμπεριφορά με κυρίαρχη την ελαστική σε υψηλές συχνότητες και συμπεριφορά με κυρίαρχη την ιξώδη σε χαμηλές συχνότητες. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια κρίσιμη συχνότητα στην οποία οι δύο αποκρίσεις είναι ίσες.

Αυτό είναι προφανώς ένα καλά καθορισμένο σημείο και βολικά, αυτή η "διασταυρούμενη" συχνότητα και το μέτρο ελαστικότητας έχει αποδειχθεί ότι εξαρτάται από το μοριακό βάρος και την κατανομή του μοριακού βάρους ορισμένων γραμμικών πολυμερών. Ένα πιθανό πλεονέκτημα της χρήσης αυτού του σημείου ως εργαλείου ελέγχου ποιότητας είναι ότι η διασταύρωση των ελαστικών και ιξωδών ιδιομορφών εμφανίζεται σε σημαντικά υψηλότερες συχνότητες από το σημείο στο οποίο εμφανίζεται σταθερή τιμή του ιξώδους διάτμησης. Οι χρόνοι δοκιμής για τη δοκιμή ταλάντωσης είναι συνήθως μειωμένοι σε σύγκριση με την εκτέλεση μετρήσεων καμπύλης ροής ή δοκιμών ερπυσμού [1].

Σχήμα 3: Σάρωση συχνότητας για πολυπροπυλένιο στους 190ºC. Το σημείο διασταύρωσης καθορίζεται από το μέσο μοριακό βάρος και την κατανομή μοριακού βάρους

Ταρεόμετρα περιστροφής Kinexus είναι η προτιμώμενη επιλογή όταν η απαίτηση είναι να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τη μοριακή δομή και τον τρόπο με τον οποίο αυτή επηρεάζει τα χαρακτηριστικά επεξεργασίας. Ειδικότερα, η δυνατότητα εύκολης εξαγωγής πληροφοριών σχετικά με το μέσο μοριακό βάρος και την κατανομή του μοριακού βάρους μέσω της μέτρησης των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων καθιστά το περιστροφικό ρεόμετρο ένα ισχυρό εργαλείο.

Αφού καλυφθούν τα βασικά στοιχεία της ανάλυσης των θερμοπλαστικών με ένα περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus, στο επόμενο άρθρο του ιστολογίου θα παρουσιαστούν δύο παραδείγματα για να καταδειχθεί πώς ο ιξωδοελαστικός χαρακτηρισμός των πολυμερών έχει λύσει πραγματικά προβλήματα επεξεργασίας.

Πηγή

[1] Δοκιμές ρεολογίας πολυμερών και προσδιορισμός ιδιοτήτων με τη χρήση ρεομέτρων περιστροφής και ρεομέτρων τριχοειδούς εξώθησης (azom.com)

Ευχαριστούμε τον Dr Bob Marsh (πρώην υπάλληλο της Malvern Panalytical) ως τον αρχικό συγγραφέα αυτού του άρθρου!