Βουτιά στα Βασικά της Ρεολογίας των Θερμοπλαστικών

Η ρεολογία είναι η επιστήμη της μελέτης της ροής και της παραμόρφωσης των υλικών που έχει τις ρίζες της στους νόμους της ελαστικότητας και του ιξώδους που προτάθηκαν από τους Hooke και Newton στα τέλη του ^17ου αιώνα. Τα τήγματα θερμοπλαστικών πολυμερών χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές σύγχρονες βιομηχανικές διεργασίες για την κατασκευή πλήθους αντικειμένων. Τα πολυμερή χρησιμοποιούνται επειδή είναι σχετικά φτηνά για να διαμορφωθούν σε πολύπλοκα σχήματα στη λιωμένη κατάσταση. Ωστόσο, πρέπει να κατανοήσουμε πώς ρέουν κατά την επεξεργασία τους [1].

Παράγοντες επιρροής στη συμπεριφορά ροής πολυμερών

Τα πολυμερή είναι πολύπλοκα υλικά για τον ρεολογικό χαρακτηρισμό τους, επειδή υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες ροής τους. Παραδείγματα παραγόντων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά ροής μπορεί να περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία επεξεργασίας, το ρυθμό ροής, το χρόνο παραμονής κ.λπ.

Επιπλέον, οι ρεολογικές ιδιότητες των πολυμερών βρίσκονται μεταξύ εκείνων ενός υγρού και ενός στερεού. Αυτό οδηγεί σε χρονική εξάρτηση των ιδιοτήτων ροής και άλλων σημαντικών χαρακτηριστικών, μερικά από τα οποία αναλύονται παρακάτω [1].

Σημαντικές ρεολογικές ιδιότητες των πολυμερών

Είναι γνωστό ότι τοιξώδες του τήγματος εξαρτάται σε κρίσιμο βαθμό από τη θερμοκρασία. Μειώνοντας τη θερμοκρασία ενός καλουπιού έως ότου το παραγόμενο τεμάχιο αποκτήσει ματ φινίρισμα, ο μηχανικός διεργασιών μπορεί να μάθει την ελάχιστη θερμοκρασία (άρα και το μέγιστο ιξώδες ρητίνης) στην οποία μπορεί να εκτελεστεί η διεργασία χωρίς να γίνουν εμφανή επιφανειακά ελαττώματα. Η μείωση της θερμοκρασίας του καλουπιού εξοικονομεί ενέργεια και μπορεί να μειώσει τους χρόνους του κύκλου και έτσι η κατανόηση της εξάρτησης του ιξώδους του τήγματος από τη θερμοκρασία είναι πολύ χρήσιμη.

Είναι γνωστό ότι τα πολυμερή τήγματα παρουσιάζουν διόγκωση της μήτρας κατά την εξώθηση. Το φαινόμενο αυτό αποκαλύπτεται ως αύξηση της διαμέτρου του εξηλασμένου μετά την έξοδο από τη μήτρα. Το μέγεθος της διόγκωσης της μήτρας σχετίζεται με το μέγεθος της ελαστικής παραμόρφωσης του υλικού στην είσοδο της μήτρας. Ένα επιπλέον γεγονός που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι ο βαθμός διόγκωσης της μήτρας (ορθότερα διόγκωσης του εξηλαστικού) εξαρτάται από το μήκος της μήτρας όταν το υλικό εξωθείται με σταθερή απόδοση. Με άλλα λόγια, τα πολυμερή τήγματα παρουσιάζουν χρονική εξάρτηση καθώς το υλικό ξεχνά την ελαστική παραμόρφωση που εφαρμόζεται στην είσοδο της μήτρας, όσο περισσότερο χρόνο περνά το υλικό μέσα στη μήτρα τόσο μικρότερη διόγκωση της μήτρας.

Ηελαστικότητα του τήγματος μπορεί επίσης να έχει βαθιές επιπτώσεις σε πολλές άλλες διεργασίες πολυμερών, όπως:

• Όπου το πάχος του τοιχώματος του φυσητού εξαρτήματος εξαρτάται από το βαθμό διόγκωσης που έχει λάβει χώρα κατά τη διαδικασία εξώθησης πριν από το κλείσιμο του καλουπιού.
• Μορφοποίηση υπό κενό ή θερμοδιαμόρφωση όπου το πολυμερές πρέπει να διατηρεί ένα βαθμό ελαστικότητας για να αποτρέψει τη χαλάρωση του υλικού πριν τραβηχτεί με κενό πάνω από τη μήτρα ψυχρής μορφοποίησης. Εάν το υλικό δεν έχει επαρκή ελαστικότητα, είναι πιθανό να έρθει σε επαφή με την ψυχρή μήτρα πριν εφαρμοστεί το κενό ή η πίεση [1].

Πώς να χαρακτηρίσετε τη συμπεριφορά ροής πολυμερούς τήγματος

Οι ιδιότητες επεξεργασίας των πολυμερών εξαρτώνται επίσης από τη συγκέντρωση λιπαντικών, πλαστικοποιητών, πληρωτικών και άλλων συστατικών στην υπό επεξεργασία ένωση. Από αυτή τη σύντομη εισαγωγή, μπορεί κανείς να εκτιμήσει ότι ο κατάλληλος χαρακτηρισμός της συμπεριφοράς της ροής πολυμερούς τήγματος είναι πιθανό να απαιτεί εξελιγμένα και ευέλικτα όργανα.

Από τη σκοπιά του ρεολόγου, η συμπεριφορά ροής των πολυμερών μπορεί εύκολα να διαχωριστεί σε τρεις συνιστώσες: Διατμητική και εκτατική ροή, οι οποίες χαρακτηρίζονται από τα αντίστοιχα ιξώδη και ελαστική συμπεριφορά, η οποία χαρακτηρίζεται από τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας ή του λόγου διόγκωσης [1].

Η σωστή ενορχήστρωση είναι το κλειδί

Για τον πλήρη χαρακτηρισμό ενός υλικού, απαιτούνται όργανα που έχουν τη δυνατότητα να εξάγουν αυτές τις παραμέτρους σε ένα εύρος θερμοκρασιών και ρυθμών διάτμησης/διαστολής. Οι σύγχρονες εργαστηριακές συσκευές ρεολογικών δοκιμών μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες ρεομέτρων περιστροφής Kinexus και τριχοειδών ρεομέτρων Rosand. Επιπλέον, τα όργανα θερμικής ανάλυσης, όπως η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης, η δυναμική μηχανική ανάλυση και η θερμομηχανική ανάλυση, επιτρέπουν επίσης πολύτιμες πληροφορίες για τις ιδιότητες των υλικών.

Στο επόμενο άρθρο, θα μάθετε πώς το περιστροφικό ρεόμετρο Kinexus μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό των θερμοπλαστικών.

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!