Tutkimus PP:n viskositeetin ja lämpötilan välisestä suhteesta kapillaarireometrian avulla

Johdanto

Polypropeeni (PP) on tärkeä yleiskäyttöinen muovi, jota on käytetty laajalti auto-, pakkaus-, elektroniikka-, tekstiili- ja muilla teollisuudenaloilla sen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien, kemiallisen stabiilisuuden ja prosessoitavuuden ansiosta. PP-materiaalien jalostuksen optimoimiseksi entisestään sekä tuotteiden laadun ja suorituskyvyn parantamiseksi on kuitenkin erittäin tärkeää tutkia perusteellisesti PP:n reologista käyttäytymistä.

Viskositeetti on polymeerin virtausominaisuuksien kriittinen indikaattori, ja se liittyy läheisesti materiaalin prosessointiin. Eri valmistusprosesseissa PP:n on virrattava ja muotoututtava tietyillä lämpötila-alueilla. Siksi tarkka ymmärrys siitä, miten PP:n viskositeetti vaihtelee lämpötilan mukaan, antaa insinööreille mahdollisuuden hallita prosessointiparametreja tarkasti ja varmistaa PP:n optimaalisen virtaavuuden ja muovauslaadun tuotannon aikana.

Kapillaarireometri, joka on classic reologinen testauslaite, on laajalti käytössä polymeeritutkimuksessa, koska sen avulla voidaan mitata materiaalien reologisia ominaisuuksia laajalla leikkausnopeuksien ja lämpötilojen alueella. Tässä tutkimuksessa käytettiin Rosand RH10 -kapillaarireometriä ( NETZSCH, kuva 1) lämpötilan ja leikkausnopeuden vaikutusten systemaattiseen tutkimiseen PP:n sulaviskositeettiin ja viskoosisen virtauksen aktivointienergiaan. Tulokset tarjoavat teoreettisen perustan PP:n prosessointiparametrien optimoinnille, mikä lopulta parantaa PP-tuotteiden laatua ja suorituskykyä.

Mittausolosuhteet ja testausmenetelmä

Mittausolosuhteet on esitetty taulukossa 1.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Kun suulakkeet oli asennettu vasemman sylinterin alle ja lämpötilan oli annettu vakiintua, PP-rakeita lisättiin hitaasti sylinteriin, paineistettiin 1 MPa:n paineeseen ja esilämmitettiin sitten vakiolämpötilassa 5 minuutin ajan. Tämän jälkeen laite suoritti testin automaattisesti soveltaen leikkausnopeutta ja tallentaen paineen.

Mittaustulokset ja pohdinta

Kuvassa 2 esitetään PP-näytteiden leikkausviskositeetin ja leikkausnopeuden väliset käyrät eri lämpötiloissa. Kuten kuvasta 2 voidaan nähdä, PP-näytteiden leikkausviskositeetti laskee kaikissa lämpötilaolosuhteissa asteittain leikkausnopeuden kasvaessa, mikä osoittaa tyypillistä leikkausohentumiskäyttäytymistä. Tämä ilmiö johtuu siitä, että PP:n makromolekyyliketjujen irtoaminen toisistaan voimistuu suuremmilla leikkausnopeuksilla, mikä johtaa leikkausviskositeetin nopeaan laskuun. Leikkausnopeuden kasvaessa edelleen leikkausjännityksen vaikutus makromolekyylien irtoamisen edistämisessä kuitenkin heikkenee, minkä seurauksena leikkausviskositeetin lasku hidastuu.

Lisäksi PP-näytteiden leikkausviskositeetti laskee merkittävästi lämpötilan noustessa samalla leikkausnopeudella. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa PP-sulan vapaa tilavuus kasvaa, mikä lisää ketjusegmenttien liikkuvuutta ja vähentää molekyylien välisiä vuorovaikutusvoimia, mikä puolestaan parantaa PP:n virtaavuutta. Leikkausviskositeettiarvojen ero eri lämpötiloissa pienenee kuitenkin huomattavasti, kun leikkausnopeus ylittää 500 ^s-1. Erityisesti kun leikkausnopeus nostetaan arvoon 5000 ^s⁻¹, eri lämpötiloissa mitatut leikkausviskositeettikäyrät alkavat päällekkäin, ja leikkausviskositeetin laskeutumissuuntaus hidastuu. Tämä osoittaa, että kriittisen leikkausnopeuden ylittyessä PP:n leikkausviskositeetin herkkyys lämpötilalle pienenee, mikä viittaa PP:n laajentuneeseen prosessointilämpötila-alueeseen tällä leikkausnopeusalueella.

Viskosisen virtauksen aktivointienergia (_Eη) on indikaattori polymeerisulan näennäisen leikkausviskositeetin herkkyydestä lämpötilalle. Suurempi _Eη-arvo merkitsee sulan viskositeetin suurempaa herkkyyttä lämpötilavaihteluille, kun taas pienempi arvo viittaa vähäisempään lämpötilariippuvuuteen. _Eη voidaan laskea käyttämällä Arrheniusin yhtälöä (1):

jossa _ηa on sulan viskositeetti; _Eη on viskoosisen virtauksen aktivointienergia; R on kaasuvakio (8,314 ^{J·mol⁻¹·K⁻¹}); A on lämpötilasta riippumaton vakio.

Kuvassa 2 esitettyjen mittaustietojen perusteella laadittiin ja sovitettiin _lgηa: n ja 1/T:n väliset käyrät. Tämän seurauksena kuvassa 3 esitetään _lgηa ~ 1/T -suhdekäyrät eri leikkausnopeuksilla, ja tarkat arvot on lueteltu taulukossa 2. Kuten kuvasta näkyy, PP:n Eη eri leikkausnopeuksilla voidaan määrittää kuvan 3 sovitettujen lineaaristen käyrien kulmakertoimista, ja tarkat arvot on lueteltu taulukossa 2. PP:n _Eη pienenee leikkausnopeuden kasvaessa testatulla lämpötila-alueella. Tämä osoittaa, että PP-sulan leikkausviskositeetti on vähemmän herkkä lämpötilalle suurilla leikkausnopeuksilla. Molekyylidynamiikan näkökulmasta tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että ulkoiset leikkausvoimat hajottavat PP-molekyylien välisiä sidoksia, mikä vähentää leikkausviskositeetin herkkyyttä lämpötilalle. Tämä näkyy viskositeettikäyrissä (kuva 2), joissa eri lämpötiloissa mitatut käyrät lähes menevät päällekkäin suurilla leikkausnopeuksilla. Siksi lämpötilan nostaminen osoittautuu vähemmän tehokkaaksi keinoksi alentaa PP-sulan leikkausviskositeettia suurilla leikkausnopeuksilla. Sen sijaan pienillä leikkausnopeuksilla lämpötilan nostaminen voi parantaa merkittävästi PP:n juoksevuutta, mikä puolestaan vähentää energiankulutusta prosessoinnin aikana.

Taulukko 2: PP:n_Eη eri leikkausnopeuksilla

Johtopäätös

Tässä sovellusohjeessa tutkittiin PP:n reologisia ominaisuuksia eri lämpötiloissa ja leikkausnopeuksilla Rosand RH10 -kapillaarireometrin avulla. Suhteellisen alhaisilla leikkausnopeuksilla (10–500 ^s-1) PP:n leikkausviskositeetti laskee merkittävästi leikkausnopeuden kasvaessa, kun taas korkeilla leikkausnopeuksilla (500–10 000 ^s-1) leikkausviskositeetin lasku on asteittaisempaa. Lisäksi PP:n _Eη pienenee leikkausnopeuden kasvaessa, mikä osoittaa, että suuremmat leikkausnopeudet vähentävät tehokkaasti PP:n sulaviskositeetin lämpötilaherkkyyttä.