Kapillaarireometrian perusteet

"Reologia tutkii nesteiden muodonmuutosta ja virtausta. [...] Perinteisesti kapillaarireometrejä on käytetty viskoosien materiaalien leikkausviskositeetin ja kimmoisuuden mittaamiseen suurilla leikkausnopeuksilla. [...] Kiinnostus suuriin leikkausnopeuksiin johtuu muodonmuutostilasta, jonka materiaali käy läpi prosesseissa, kuten ekstruusiossa, kalvopuhalluksessa ja ruiskupuristuksessa."" [1]

Materiaalin reaktiot muodonmuutokseen tai vain ympäristöön itsessään tapahtuvat eri aikaskaaloilla. Jotkin prosessit kestävät vuosia, kuten fyysinen vanheneminen ja viruminen. Toiset prosessit tapahtuvat sekunneissa tai millisekunneissa, esimerkiksi iskunkäyttäytyminen tai leikkautuminen ja venyminen prosessoinnin aikana, kuten ekstruusiossa, puhallusmuovauksessa ja ruiskuvalussa.

Mitä nopeammin materiaali reagoi, sitä nopeampi muodonmuutosnopeuden on oltava. Tämän vuoksi pyörimisreometrit eivät myöskään sovellu näihin prosesseihin. Niiden toimintaperiaate on suunniteltu havaitsemaan muutokset molekyylitasolla aina pieneen tai medium muodonmuutokseen asti. Kapillaarireometrit kattavat kuitenkin spektrin toisen puolen - prosessit, jotka tapahtuvat nopealla aikaskaalalla.

Miksi tarvitset kapillaarireometriaa?

Esimerkiksi ruiskuvaluprosessissa materiaalin viskositeetti sekä juoksuputken ja kappaleen geometria vaikuttavat muotin täyttymiseen. Nämä kaksi parametria puolestaan vaikuttavat leikkausnopeuteen, täyttöpaineeseen, virtauksen pituuteen ja jopa puristusvoimaan, jota tarvitaan pitämään muotti suljettuna.

Mitä tietoja voidaan saada kapillaarireometrin avulla?

Sulan viskositeetti

Viskositeettia voidaan pitää nesteen juoksevuutena tai sen virtausta vastustavana ominaisuutena. Viskositeetti η ilmaistaan leikkausjännityksen (voima pinta-alayksikköä kohti) ja leikkausnopeuden (leikkausjännityksen muutosnopeus) suhteena. [2]

Korkean leikkausnopeuden käyttäytyminen

Leikkausnopeus on nopeus, jolla neste leikkautuu tai deformoituu virtauksen aikana. Teknisesti ilmaistuna se on nopeus, jolla nestekerrokset liikkuvat toistensa ohi. Jos esimerkiksi joku hieroo nopeasti hyvin ohuen voidekerroksen iholleen, leikkausnopeus on paljon suurempi kuin silloin, kun kyseistä materiaalia puristetaan hitaasti ulos tuubista. [3]

Pidennysominaisuudet

Dimensiovirtausta esiintyy, kun materiaali ei ole kosketuksissa kiinteiden rajojen kanssa, kuten esimerkiksi filamenttien, kuitujen, kalvojen, levyjen tai ilmakuplien vetämisen yhteydessä. Myös suuttimien suuaukoissa tapahtuva konvergoituva virtaus on luonteeltaan ekstensionaalista. [4] Pidennysominaisuuksiin kuuluvat pidennysvenymänopeus ja pidennysviskositeetti.

Sulan murtuminen (virtauksen epävakaus)

Sulan murtuminen määritellään ilmiöksi, joka johtuu sulaan hartsiin kohdistuvasta liiallisesta leikkausjännityksestä, joka johtaa karheuteen ekstruudaatissa. [5] Se on ei-toivottu pintailmiö, joka voi vaikuttaa myös kappaleen ominaisuuksiin. Koska sitä esiintyy tutkittavan materiaalin suurilla leikkausjännityksillä, sitä voidaan vähentää tai se voidaan poistaa vähentämällä läpimenoa.

Jännityksen relaksaatio (suhteellinen)

Jännitysrelaksaatio on ajasta riippuvainen jännityksen väheneminen vakiojännityksen alaisena. Tätä polymeerille ominaista käyttäytymistä tutkitaan soveltamalla näytteeseen kiinteä määrä muodonmuutosta ja mittaamalla sen ylläpitämiseen tarvittava kuormitus ajan funktiona. [6]

Sulan lujuus

Sulan lujuutta voidaan kuvata polymeerisulan venymiskestävyytenä. Materiaalin sulalujuus liittyy polymeerin molekyyliketjujen kietoutumiseen ja sen vastustuskykyyn purkautua rasituksessa. Purkautumiskestävyyteen vaikuttavat polymeerin ominaisuudet ovat molekyylipaino, molekyylipainojakauma (MWD) ja molekyylin haarautuminen. Kun kukin ominaisuus kasvaa, sulan lujuus paranee alhaisilla leikkausnopeuksilla. [7] Se on tärkeä ominaisuus muovimateriaalien onnistuneen suulakepuristamisen kannalta.

Muotin turpoaminen

Muotti turpoaa, kun materiaali virtaa ulos kapillaarimuotista. Yksi tapa selittää suuttimen turpoaminen on tarkastella polymeerisulan kykyä muistaa virtaushistoriansa. Ajatuksena on kuvitella säiliöstä kapillaarimuottiin siirtyvä nestemäinen elementti lyhyenä, paksuna sylinterinä, joka puristetaan pitkäksi, hoikaksi sylinteriksi. Jos nestemäisen elementin viipymäaika muotissa on lyhyempi kuin sen muistin haihtumisaika (relaksaatioaika), se pyrkii palaamaan alkuperäiseen muotoonsa ja aiheuttaa muotin paisumisilmiön. [8]

pvT-käyttäytyminen ja kokoonpuristuvuus

pvT tutkii paineen ja tilavuuden välistä suhdetta materiaalissa. Lisäksi se antaa viitteitä siitä, kuinka kokoonpuristuva polymeerisula on. Koska polymeerejä käsitellään korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, paineen, tilavuuden ja lämpötilan välinen suhde on erittäin tärkeä.

Mihin tarvitset kapillaarireometrin tietoja?

Muita syitä, miksi tarvitsemme kapillaarireometrin tietoja: Mitata materiaalin virtauskäyttäytymistä laadunvalvontaa ja -varmistusta varten, tehdä prosessointitutkimuksia (leikkausriippuvuus) tai saada syöttöparametreja virtaussimulaatioita varten. Voimme tutkia koostumuksia arvioidaksemme täyteaineiden, prosessointiapuaineiden ja tuotannon tehostimien vaikutusta.

Ensi viikolla käsittelemme kapillaarireometrin toimintaperiaatetta, selitämme ominaisviskositeettivirtauskäyrän ja korostamme tarvittavien korjausten merkitystä.

Lue artikkeli täältä!

Lähteet:

[1] Dao, T.T., Ye, A.X., Shaito, A.A., Roye, N., Hedman, K. (2009): Kapillaarireometria: Analysis of Low-Viscosity Fluids, and Viscous Liquids and Melts at High Shear Rates; haettu osoitteesta: https://www.americanlaboratory.com/913-Technical-Articles/557-Capillary-Rheometry-Analysis-of-Low-Viscosity-Fluids-and-Viscous-Liquids-and-Melts-at-High-Shear-Rates/

[2] https://www.dc.engr.scu.edu/cmdoc/dg_doc/develop/process/physics/b3200002.htm

[3] Moonay, D. (2017): What is Shear Rate and Why is it Important?; haettu osoitteesta: https://www.labcompare.com/10-Featured-Articles/338534-What-is-Shear-Rate-and-Why-is-it-Important/

[4] Shenoy, A.V. (1999): Haettu osoitteesta: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-015-9213-0_9

[5] Ebnesajjad, S. (2017): Fluorimuovit; haettu osoitteesta: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/melt-fracture

[6] Ashter, S.A. (2014): Thermoforming of Single and Multilayer Laminates; haettu osoitteesta: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stress-relaxation

[7] Frankland, J. (2013): Extrusion: Where's the Data? The Importance of Selt Strength in Extrusion; haettu osoitteesta: https://www.ptonline.com/articles/what-about-melt-strength

[8] Koopmans, R.J. (1999): Polypropylene; retrieved from: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-4421-6_22