Johdanto
Polymeerisulatteiden reologiset ominaisuudet muodostavat perustan muovaus- ja prosessointiprosesseille. Kapillaarireometrin avulla voidaan tutkia polymeerisulatteiden viskositeetin muutoksia eri lämpötiloissa ja leikkausnopeuksilla sekä ennustaa tehokkaasti polymeerien prosessointikäyttäytymistä, mikä tarjoaa vankan tieteellisen perustan polymeerimateriaalien prosessoinnille ja laadunvalvonnalle.
Yleensä polymeerimateriaalien reologisia ominaisuuksia testataan yksisylinterisellä järjestelmällä, jolloin eri tyyppisten tai eri erien polymeerinäytteiden testaaminen erilaisissa olosuhteissa vie paljon aikaa. Siksi testauksen tehokkuuden parantamiseksi on todistettu toimivaksi menetelmäksi käyttää kaksisylinteristä kapillaarireometriä kahden näytteen samanaikaiseen testaamiseen, mikä lyhentää tehokkaasti testien välistä lämpötilan vakautumiseen kuluvaa odotusaikaa. Tässä tutkimuksessa analysoitiin kaksisylinteritestin toteutettavuutta suorittamalla testisarja polyeteenille (PE) ja polypropeenille (PP) käyttäen NETZSCH Rosand RH10 -kaksisylinteristä kapillaarireometriä (kuva 1).
Mittausolosuhteet ja testausmenetelmä
Mittausolosuhteet on esitetty taulukossa 1. Kun suulakkeet oli asennettu vasemman ja oikean sylinterin alle ja lämpötila oli vakiintunut arvoon 200 ± 0,1 °C, PE- tai PP-hiukkasia lisättiin hitaasti vuorotellen vasempaan ja oikeaan sylinteriin, puristettiin 1 MPa:n paineeseen ja esilämmitettiin sitten vakiolämpötilassa 8 minuutin ajan. Mittaus aloitettiin tämän puristusvaiheen jälkeen.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | NETZSCH Rosand RH10 |
| Näytteet | PE, PP |
Paine anturin | 10 000 psi ja 5 000 psi |
| Muotin tekniset tiedot | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Testilämpötila | 200 °C |
| Leikkausnopeusalue | 10 ~ 10 000 s⁻¹ |
Mittaustulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 esitetään saman PE-materiaalin leikkausviskositeettikäyrät, jotka on mitattu 200 °C:n lämpötilassa ja kierrosnopeudella 10–10 000 s⁻¹ kaksoissylinterillä, jossa vasenta ja oikeaa sylinteriä käytettiin suulakkeen kanssa, jonka pituus-halkaisijasuhde (L/D) oli 16/1, ja paineantureita, joiden mitta-alueet olivat vastaavasti 10 000 psi ja 5 000 psi.
Testitulokset ja poikkeama-arvot on esitetty taulukossa 2. Kuten kuvasta 2 voidaan nähdä, vasemmalla ja oikealla sylinterillä testatut leikkausviskositeettikäyrät osoittavat erittäin hyvää toistettavuutta. Lisäksi, kuten taulukosta 2 käy ilmi, eri leikkausnopeuksilla saatujen leikkausviskositeettiarvojen poikkeamat ovat alle 1 %. Siksi tarkkoja tuloksia voidaan saada testaamalla sekä vasemmalla että oikealla sylinterillä.
Taulukko 2: Testitulokset ja PE:n poikkeama vasemmassa ja oikeassa tynnyrissä 200 °C:ssa
| Leikkausnopeus (s⁻¹) | Leikkausviskositeetti (Pa·s) | Keskiarvo (Pa·s) | Poikkeama (%) | |
| Vasen tynnyri | Oikea tynnyri | |||
| 10 | 2259,40 | 2241,22 | 2250,31 | 0,40 |
| 21,5 | 1583,38 | 1558,92 | 1571,15 | 0,78 |
| 46,42 | 1079,93 | 1059,68 | 1069,81 | 0,95 |
| 100 | 727,73 | 716,45 | 722,09 | 0,78 |
| 215,32 | 493,07 | 492,14 | 492,61 | 0,09 |
| 464,63 | 308,37 | 305,36 | 306,86 | 0,49 |
| 999,96 | 188,81 | 189,83 | 189,32 | -0,27 |
| 2155,44 | 114,09 | 114,57 | 114,33 | -0,21 |
| 4642,62 | 68,74 | 68,74 | 68,74 | 0,01 |
| 10001,14 | 41,09 | 40,92 | 41,01 | 0,20 |
Kuvassa 3 esitetään PE:n (vasen sylinteri, musta) ja PP:n (oikea sylinteri, punainen) näennäiset leikkausviskositeettikäyrät, testattuna kaksoissylinterijärjestelmällä 200 °C:ssa ja 50–3000 s⁻¹:n leikkausnopeudella, jolloin vasemmassa ja oikeassa sylinterissä käytettiin suulaketta, jonka L/D-suhde oli 16/1, sekä paineantureita, joiden mittausalueet olivat vastaavasti 10 000 psi ja 5 000 psi. Kuten kuvasta 3 voidaan nähdä, PP:n leikkausviskositeetti on huomattavasti alhaisempi kuin PE-materiaalin samalla leikkausnopeudella. Siksi kaksoissylinteritestillä voidaan paitsi saada kahden materiaalin leikkausviskositeettitiedot samanaikaisesti, myös verrata intuitiivisesti näiden kahden materiaalin viskositeetteja välittömästi testin jälkeen.
Leikkausviskositeetti on materiaalin ominaisuus, joka kuvaa, kuinka voimakkaasti neste vastustaa muodonmuutosta leikkausvoiman vaikutuksesta.
Näennäinen leikkausviskositeetti on viskositeettiarvo, joka mitataan tai lasketaan tietyllä leikkausnopeudella, erityisesti sellaisten nesteiden osalta, joiden viskositeetti muuttuu virtausolosuhteiden mukaan.
Kaksireikäisellä Rosand-kapillaarireometrillä voidaan korjata Ei-newtonilainenEi-newtonilainen neste on neste, jonka viskositeetti vaihtelee käytetyn leikkausnopeuden tai leikkausjännityksen funktiona.ei-newtonilainen käyttäytyminen ja sisäänvirtausvaikutukset leikkausviskositeetin suoraa määrittämistä varten.
Johtopäätös
Tässä tutkimuksessa PE- ja PP-materiaalien reologisia ominaisuuksia testattiin erilaisissa olosuhteissa käyttäen Rosand RH10 -laitetta ( NETZSCH ). Samasta materiaalista saadaan erittäin tarkkoja testituloksia riippumatta siitä, käytetäänkö vasenta vai oikeaa sylinteriä. Kun eri materiaaleja testataan kaksoissylinterijärjestelmällä, paitsi että testaustehokkuutta voidaan parantaa ja testausaikaa lyhentää tehokkaasti, myös testituloksia voidaan verrata erittäin intuitiivisesti testin päätyttyä.