Τριχοειδής ρεολογία των θερμοπλαστικών: Κλασσική Ρευστοπλαστική: Επισκόπηση

Τα θερμοπλαστικά μπορούν να χαρακτηριστούν με τη χρήση ενός περιστροφικού ρεομέτρου Kinexus όταν η απαίτηση είναι να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τη μοριακή δομή και πώς αυτή επηρεάζει τα χαρακτηριστικά επεξεργασίας. Αυτό μπορεί να διερευνηθεί περαιτέρω με το τριχοειδές ρεόμετρο Rosand. Διαβάστε περισσότερα παρακάτω!

Πώς λειτουργεί ένα τριχοειδές ρεόμετρο

Τα τριχοειδή ρεόμετρα υψηλής πίεσης διαθέτουν έναν κύλινδρο ελεγχόμενης θερμοκρασίας που ενσωματώνει μία ή περισσότερες οπές ακριβείας εφοδιασμένες με τριχοειδείς μήτρες στην έξοδο. Οι μετατροπείς πίεσης τήγματος τοποθετούνται ακριβώς πάνω από τις μήτρες για να καταγράφουν την πτώση πίεσης καθώς το πολυμερές τήγμα εξωθείται μέσω των μητρών με προγραμματισμένες ταχύτητες ροής. Με τη χρήση μιας τριχοειδούς μήτρας και μιας μήτρας "ανοίγματος" ή "μηδενικού μήκους", το ιξώδες διάτμησης και διαστολής ενός πολυμερούς τήγματος μπορεί να προσδιοριστεί ταυτόχρονα σε σχέση με τους ρυθμούς διάτμησης και διαστολής.

Διατίθενται πρόσθετα εξαρτήματα για την καταγραφή της διόγκωσης της μήτρας με τη βοήθεια ενός μετρητή σάρωσης με λέιζερ ή/και της αντοχής του τήγματος του εξωθημένου, περνώντας το νήμα του πολυμερούς μέσα από μια σειρά κυλίνδρων με ελεγχόμενη ταχύτητα και καταγράφοντας τη δύναμη (τάση του τήγματος) σε συνάρτηση με την ταχύτητα απομάκρυνσης [1].

Θέλετε να δείτε μια ζωντανή επίδειξη του τριχοειδούς ρεομέτρου Rosand Παρακολουθήστε το βίντεό μας εδώ!

Τριχοειδή ρεόμετρα = Υψηλότεροι ρυθμοί διάτμησης

Γενικά, τα τριχοειδή ρεόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση των ιδιοτήτων του τήγματος σε υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης σε σύγκριση με τα περιστροφικά ρεόμετρα, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς ροής υπό τυπικές συνθήκες επεξεργασίας. Ιδιαίτερα σημαντική είναι η δυνατότητα μέτρησης των ιδιοτήτων επιμήκυνσης (επιμήκυνσης) σε υψηλότερους ρυθμούς επιμήκυνσης σε σύγκριση με άλλες τεχνικές και, το σημαντικότερο, σε ρυθμούς επιμήκυνσης που συναντώνται σε μια γραμμή επεξεργασίας.

Στα Σχήματα 1 & 2 παρουσιάζονται τόσο δεδομένα διάτμησης όσο και δεδομένα εκτάσεως, τα οποία απεικονίζουν ένα σημαντικό και συχνά παραμελημένο σημείο: Δύο πολυμερή μπορεί να έχουν σχεδόν πανομοιότυπη συμπεριφορά ροής σε διάτμηση, αλλά μπορεί να παρουσιάζουν σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες έκτασης. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, πολλές διεργασίες πολυμερών (κλώση ινών, χύτευση με εμφύσηση) είναι ουσιαστικά διεργασίες εκτατικής ροής και έτσι ο προσδιορισμός του ιξώδους εκτατικής ροής είναι πιο σημαντικός από τη μέτρηση του ιξώδους διάτμησης [1].

Εξέταση της συμπεριφοράς επεξεργασίας των θερμοπλαστικών

Εκτός από τον προσδιορισμό των ρεολογικών ιδιοτήτων των υλικών, τα τριχοειδή ρεόμετρα χρησιμοποιούνται συχνά για την εξέταση της συμπεριφοράς της επεξεργασίας: Δύο παραδείγματα περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό των περιοχών αστάθειας της ροής και τη μέτρηση της ολίσθησης των τοιχωμάτων ή της κρίσιμης τάσης.

Αστάθεια ροής

Η αστάθεια της ροής είναι γενικά το αποτέλεσμα της εφελκυστικής τάσης όταν το τήγμα ρέει από μια διατομή large σε μια διατομή smaller. Εάν η εφελκυστική τάση γίνει large αρκετά μεγάλη, το τήγμα σπάει. Η επίδραση της θραύσης του τήγματος γίνεται λιγότερο αισθητή όσο αυξάνεται το μήκος της μήτρας και όσο αυξάνεται η θερμοκρασία της μήτρας. Η αύξηση του μήκους της μήτρας αποσβένει την επίδραση των μεταβολών της διατομής στην είσοδο της μήτρας, ενώ η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το ιξώδες και την τάση με τον ίδιο ρυθμό διάτμησης. Σε ένα τριχοειδές ρεόμετρο, μια περιοχή θραύσης του τήγματος αποκαλύπτεται ως μια κανονική ταλάντωση του σήματος πίεσης του τήγματος, όπως φαίνεται παρακάτω. Το τήγμα ουσιαστικά σπάει και στη συνέχεια αναμορφώνεται, με αποτέλεσμα τα γειτονικά στοιχεία να έχουν βιώσει διαφορετική ιστορία διαστολής και έτσι να διογκώνονται διαφορετικά κατά την έξοδο από τη μήτρα [1].

Κατάσταση ραβδιού

Μια θεμελιώδης παραδοχή κατά τον υπολογισμό των ρεολογικών ιδιοτήτων με ένα τριχοειδές ρεόμετρο είναι ότι το υλικό στο τοίχωμα της τριχοειδούς μήτρας είναι ακίνητο - αυτή είναι η λεγόμενη συνθήκη "stick condition". Στην πράξη, τα τήγματα πολυμερών αποκλίνουν από αυτή την κατάσταση σε μια κρίσιμη τάση και το υλικό ρέει ως συνδυασμός διατμητικής ροής που επικάθεται σε ροή με βύσμα. Η ολίσθηση των τοιχωμάτων και ο προσδιορισμός της κρίσιμης τάσης μπορούν να αναλυθούν σε ένα τριχοειδές ρεόμετρο με τη μέτρηση καμπυλών ροής σε σταθερή πίεση εξώθησης (δηλαδή σταθερή διατμητική τάση) και στην ίδια θερμοκρασία για τουλάχιστον τρία σετ τριχοειδών μήτρων με τον ίδιο λόγο μήκους προς διάμετρο, αλλά με διαφορετική ακτίνα οπής μήτρας (προσέγγιση Mooney). Η χρήση της εξίσωσης 1 βοηθά να αποκαλυφθεί εάν ένα πολυμερές υλικό είναι επιρρεπές να παρουσιάζει συμπεριφορά ολίσθησης κατά την επεξεργασία.

Για ένα υλικό που δεν υφίσταται ολίσθηση των τοιχωμάτων (Σχήμα 4) θα δημιουργηθούν πανομοιότυπα προφίλ διατμητικών τάσεων σε σχέση με το ρυθμό διάτμησης. Στην περίπτωση που παρατηρείται ολίσθηση τοιχώματος, (σε σταθερή διατμητική τάση) ο ρυθμός διάτμησης θα μειώνεται καθώς αυξάνεται η διάμετρος της μήτρας (βλέπε Σχήμα 4). Η εφαρμογή της προσέγγισης του Mooney στα δεδομένα ροής επιτρέπει τον προσδιορισμό της ταχύτητας ολίσθησης, η οποία είναι ίση με την κλίση/4 και αυξάνεται με την αύξηση της διατμητικής τάσης(o), όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Επιπλέον, μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με την κρίσιμη τάση(o c) (κλίση>0). Αυτές οι παράμετροι απαιτούνται συχνά από τα πακέτα λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής μαζί με δεδομένα διατμητικού και εκτατικού ιξώδους για την πρόβλεψη της ροής των τήξεων σε καλούπια και προφίλ εξώθησης.

Συμπέρασμα

Η ρεολογία τήγματος πολυμερών είναι ένα πολύπλοκο θέμα που απαιτεί προσεκτικό πειραματικό σχεδιασμό προκειμένου να ληφθούν οι πληροφορίες που απαιτούνται για την ικανοποίηση των απαιτήσεων ενός ερευνητή.

Το τριχοειδές ρεόμετρο επεκτείνει το εύρος των ρυθμών διάτμησης που είναι εφικτό στο εργαστήριο, πέρα από αυτό που είναι διαθέσιμο σε ένα περιστροφικό όργανο και επιτρέπει τη μέτρηση των ιδιοτήτων ροής υπό τυπικές συνθήκες επεξεργασίας. Επιπλέον, η δυνατότητα άμεσου προσδιορισμού τόσο των ιδιοτήτων διάτμησης όσο και των ιδιοτήτων έκτασης υπό συνθήκες εφαρμογής παρέχει στον παραγωγό και τον επεξεργαστή πολυμερών πληροφορίες που είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή χρήση ενός πολυμερούς τήγματος. Τέλος, το τριχοειδές ρεόμετρο επιτρέπει τη διερεύνηση προβλημάτων επεξεργασίας σε ελεγχόμενο περιβάλλον χωρίς να χρειάζεται να διακοπεί η παραγωγή στο εργοστάσιο.

Διαθέσιμο το νέο βιβλίο εφαρμογών τριχοειδών!

Επωφεληθείτε επίσης από τα βιβλία εφαρμογών μας για την περιστροφική και τριχοειδή ρεολογία και μάθετε πώς μπορούν να προσδιοριστούν οι ιδιότητες ροής των προϊόντων μέσω της ρεολογικής τους ανάλυσης.

Το νέο βιβλιαράκι για την τριχοειδή ρευστότητα παρέχει μια εισαγωγή στην τεχνολογία και το θεματικό πεδίο, αναλύει παραδείγματα εφαρμογών, δείχνει πώς να χαρακτηρίζονται οι θεμελιώδεις ιδιότητες των υλικών και παρέχει μετρήσεις με τη χρήση προηγμένων τεχνικών.

Και τα δύο βιβλία μπορείτε να τα κατεβάσετε ΔΩΡΕΑΝ και μπορείτε να τα κατεβάσετε εδώ.

Πηγές

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

[2] Βιβλιογραφία: Christopher W. Macosko, ISBN: 1-56081-579-5.

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