Johdanto
Ekstruusio, ruiskuvalu ja puristusmuovaus ovat kaikki prosesseja, jotka riippuvat materiaalin viskositeetista eli sen virtausvastuksesta. Viskositeetti ei kuitenkaan vaikuta ainoastaan käsittelyyn vaan myös lopputuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin. Erityisesti molekyylimassa ja viskositeetti liittyvät läheisesti toisiinsa.
Seuraavassa luokitellaan kolme erilaista PEEK-materiaalia niiden molekyylimassan mukaan käyttäen Kinexus-rotaatioreometrillä tehtäviä värähtelymittauksia.
Mittausolosuhteet
Taajuusmittaukset suoritettiin kolmelle materiaalille, jotka nimettiin PEEK 1, PEEK 2 ja PEEK 3. Näytteeseen kohdistuvan rasituksen (tai jännityksen) on oltava riittävän pieni, jotta se ei tuhoa näytteen rakennetta, jotta mittaus suoritetaan lineaarisen viskoelastisen alueen (Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER) sisällä. Amplitudipyyhkäisy toimii alustavana mittauksena Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-rajan määrittämiseksi. Taulukossa 1 esitetään amplitudi- ja taajuuspyyhkäisyn ehdot.
Taulukko 1: Värähtelymittausten olosuhteet
| Amplitudin pyyhkäisy | Taajuuspyyhkäisy | |
|---|---|---|
| Laite | Kinexus ultra+, jossa on sähköisesti lämmitetty kammio | |
| Geometria | PP25 (levy-levy, halkaisija: 25 mm) | |
| Aukko | 500 μm | 500 μm |
| Lämpötila | 360°C | 360°C |
| Leikkausjännitys | 1-100 % | - |
| Leikkausjännitys | - | 1 000 Pa (PEEK 1), 500 Pa (PEEK 2 ja 3) |
| Taajuus | 1 Hz | 10-0,01 Hz |
| Ilmakehä | Typpi (1 l/min) | |
Amplitudin pyyhkäisy: LVER:n määrittäminen (Lineaarinen viskoelastinen alue)
Kuvassa 1 esitetään PEEK 1:n amplitudipyyhkäisyn tuloksena saadut käyrät leikkausjännityksen funktiona. Kun leikkausjännitys on enintään noin 30 % - mikä vastaa noin 10 000 Pa:n leikkausjännitystä - leikkauskimmomoduuli G´ pysyy vakiona, mikä viittaa siihen, että materiaali on Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER:ssä. G´:n pieneneminen suuremmilla leikkausjännityksillä johtuu näytteen rakenteen hajoamisesta. Seuraavaa taajuuspyyhkäisyä varten on valittu 1 000 Pa:n leikkausjännitys.
Taajuuspyyhkäisy
Kuvassa 2 on esitetty PEEK-materiaalin 1 taajuuspyyhkäisyn aikana vaihekulman lisäksi kimmo- ja häviöleikkausmoduulien käyrät. Alempien taajuuksien suunnassa häviöleikkausmoduuli hallitsee kimmo-leikkausmoduulia, jolloin vaihekulma on suurempi kuin 45 °C. G' ja G" -käyrät risteävät 15 Hz:n taajuudella. Tällöin materiaali siirtyy nestemäisestä tilasta, jossa polymeeriketjuilla on aikaa purkautua (matalat taajuudet), kiinteään tilaan, jossa ketjut ovat lukkiutuneet toisiinsa ja käyttäytyvät kuin verkosto (korkeat taajuudet).
Joitakin määritelmiä
G*: Kompleksinen leikkauskerroin
G': Varastointiliukumoduuli, elastinen osuus G*:sta
G": Häviöleikkausmoduuli, viskoosin osuus G*:sta
δ: Vaihekulma
Vaihekulma δ (δ = G"/G') on materiaalin viskoosisten ja elastisten ominaisuuksien suhteellinen mitta. Se vaihtelee 0°:sta täysin elastisen materiaalin ja 90°:sta täysin viskoosisen materiaalin välillä.
Kuvissa 3 ja 4 esitetään PEEK-näytteiden 2 ja 3 taajuuspyyhkäisy samoissa olosuhteissa. Molempien materiaalien tuloksena saadut käyrät ovat hyvin samankaltaisia ja eroavat ensimmäisestä näytteestä. Koko mittauksen aikana viskoosinen leikkausmoduuli (G") hallitsee kimmoista leikkausmoduulia (G'), jolloin vaihekulma (δ) on yli 45°. Alempien taajuuksien suunnassa vaihekulma kasvaa saavuttaen lähes maksimiarvonsa 90°. Toisin sanoen matalilla taajuuksilla (tai pitkäaikaisilla asteikoilla) näyte käyttäytyy kuin lähes puhtaasti viskoosinen neste ilman elastisia ominaisuuksia. Mitatulla taajuusalueella ei havaittu ristikkäisyyttä, mutta se on todennäköisesti olemassa korkeammilla taajuuksilla, koska G´- ja G" -käyrät pyrkivät toisiaan kohti taajuuksien kasvaessa. Polymeerien molekyylimassa on yhteydessä risteyskohdan sijaintiin: Mitä matalammalla taajuudella risteys on, sitä suurempi on molekyylimassa.
Tässä tapauksessa PEEK 1:llä on suurempi molekyylimassa kuin PEEK 2:lla ja PEEK 3:lla. PEEK 2 ja PEEK 3 eroavat toisistaan leikkauskimmomoduulin arvojen suhteen. Se on PEEK 2:lla pienempi kuin PEEK 3:lla koko mitatulla taajuusalueella (yli yhden vuosikymmenen ero 0,01 Hz:n taajuudella). PEEK 2:n häviöleikkausmoduuli on myös pienempi kuin PEEK 3:n. Tämä johtaa PEEK 3:n suurempaan jäykkyyteen.
Nollaviskositeettitasolta molekyylimassaan
Kuvassa 5 verrataan kaikkien kolmen näytteen kompleksista viskositeettia (η). PEEK 1:n ja PEEK 2:n käyrät ovat lähes samansuuntaiset, molemmat saavuttavat newtonilaisen tasotason matalilla taajuuksilla ja osoittavat leikkausohennuskäyttäytymistä korkeammilla taajuuksilla. Newtonin tasangon taso liittyy polymeerin molekyylimassaan: Mitä suurempi molekyylimassa, sitä suurempi nollaviskositeetti. [1]
Sitä vastoin näytteen 1 kompleksinen viskositeetti (η*) jatkaa kasvuaan taajuuksien pienentyessä, eikä newtonilaista tasoa saavuteta vielä 0,01 Hz:n taajuudella. Lisäksi koko mitatulla taajuusalueella tämä PEEK-materiaali osoittaa korkeampaa kompleksista viskositeettia, yli 1,5 vuosikymmenen erolla näytteeseen 2 0,01 Hz:n taajuudella.
Kaikkien kolmen näytteen leikkausviskositeetin tasosta voidaan päätellä, että PEEK 1:llä on suurempi molekyylimassa, ja sen jälkeen PEEK 2:lla ja PEEK 3:lla. Tämä vahvistaa G´- ja G"-käyristä saadut tulokset.
Päätelmä
Kolmen PEEK-näytteen reologinen käyttäytyminen karakterisoitiin Kinexus-rotaatioreometrillä. Ne eroavat toisistaan kompleksisen viskositeetin nollaviskositeettitasanteen arvon suhteen. Tämä johtuu materiaalien molekyylimassojen eroista.