Sukellus kestomuovien reologian perusteisiin

Reologia on tieteenala, joka tutkii materiaalien virtausta ja muodonmuutosta. Sen juuret ovat Hooken ja Newtonin ^1600-luvun lopulla esittämissä kimmoisuuden ja viskositeetin laeissa. Lämpömuovisia polymeerisuloja käytetään laajalti monissa nykyaikaisissa teollisuusprosesseissa monien esineiden valmistuksessa. Polymeerejä käytetään, koska ne ovat suhteellisen halpoja, ja niitä on suhteellisen halpaa muokata sulassa tilassa monimutkaisiin muotoihin. Meidän on kuitenkin ymmärrettävä, miten ne virtaavat, kun niitä käsitellään [1].

Polymeerin virtauskäyttäytymiseen vaikuttavat tekijät

Polymeerit ovat monimutkaisia materiaaleja, joita on vaikea luonnehtia reologisesti, koska niiden virtausominaisuuksiin vaikuttavat monet tekijät. Esimerkkejä virtauskäyttäytymiseen vaikuttavista tekijöistä voivat olla käsittelylämpötila, virtausnopeus, viipymäaika jne.

Lisäksi polymeerien reologiset ominaisuudet ovat nesteen ja kiinteän aineen ominaisuuksien väliltä. Tämä johtaa virtausominaisuuksien aikariippuvuuteen ja muihin tärkeisiin ominaisuuksiin, joista joitakin käsitellään jäljempänä [1].

Polymeerien tärkeät reologiset ominaisuudet

Sulan viskositeetin tiedetään olevan kriittisesti riippuvainen lämpötilasta. Alentamalla muotin lämpötilaa, kunnes valmistettavan kappaleen pinta on mattapintainen, prosessisuunnittelija voi oppia vähimmäislämpötilan (ja siten hartsin enimmäisviskositeetin), jossa prosessi voidaan suorittaa ilman, että pintavirheet tulevat näkyviin. Muotin lämpötilan alentaminen säästää energiaa ja voi lyhentää sykliaikoja, joten sulan viskositeetin lämpötilariippuvuuden ymmärtäminen on erittäin hyödyllistä.

Polymeerisulan tiedetään turpoavan suulakepuristettaessa . Tämä ilmiö ilmenee ekstruudaatin halkaisijan kasvuna suuttimesta poistumisen jälkeen. Paisumisen määrä liittyy materiaalin elastisen muodonmuutoksen määrään suuttimen suuaukossa. Lisäksi on otettava huomioon, että suuttimen turpoamisen (oikeammin ekstruudaatin turpoamisen) aste riippuu suuttimen pituudesta, kun materiaalia ekstruudoidaan vakiohyötysuhteella. Toisin sanoen polymeerisulat ovat riippuvaisia ajasta, kun materiaali unohtaa suuttimen suuaukossa tapahtuneen kimmoisan muodonmuutoksen. Mitä enemmän aikaa materiaali viettää suuttimessa, sitä vähemmän suuttimen turpoaminen on.

Sulan kimmoisuudella voi olla syvällisiä vaikutuksia myös moniin muihin polymeeriprosesseihin, kuten seuraaviin:

• Puhallusmuovaus, jossa puhalluskomponentin seinämän paksuus riippuu siitä, kuinka paljon se on paisunut puristamisen aikana ennen muotin sulkemista.
• Tyhjiömuovaus tai lämpömuovaus, joissa polymeerin on säilytettävä tietty elastisuusaste, jotta materiaali ei notkahda ennen kuin se vedetään tyhjiöllä kylmämuovausmuotin yli. Jos materiaalilla ei ole riittävää elastisuutta, se todennäköisesti joutuu kosketuksiin jäähdytetyn muotin kanssa ennen tyhjiön tai paineen kohdistamista [1].

Miten luonnehtia polymeerin sulan virtauskäyttäytymistä

Polymeerin käsittelyominaisuudet riippuvat myös voiteluaineiden, pehmittimien, täyteaineiden ja muiden komponenttien pitoisuuksista käsiteltävässä yhdisteessä. Tämän lyhyen johdannon perusteella voidaan ymmärtää, että polymeerisulan virtauskäyttäytymisen asianmukainen karakterisointi edellyttää todennäköisesti kehittyneitä ja monipuolisia mittalaitteita.

Reologin näkökulmasta polymeerin virtauskäyttäytyminen voidaan kätevästi jakaa kolmeen komponenttiin: Leikkaus- ja venytysvirtaukset, joita luonnehtivat vastaavat viskositeetit, ja elastinen käyttäytyminen, jota luonnehditaan mittaamalla moduulia tai turvotussuhteita [1].

Oikeat mittalaitteet ovat avainasemassa

Materiaalin täydellistä karakterisointia varten tarvitaan mittalaitteita, jotka pystyvät mittaamaan nämä parametrit eri lämpötiloissa ja leikkaus-/venymisnopeuksilla. Nykyaikaiset laboratoriossa käytettävät reologiset testilaitteet voidaan jakaa kahteen laajaan luokkaan: Kinexus-rotaatioreometreihin ja Rosand-kapillaarireometreihin. Lisäksi lämpöanalyysilaitteet, kuten differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria, dynaaminen mekaaninen analyysi ja termomekaaninen analyysi, antavat myös arvokasta tietoa materiaalin ominaisuuksista.

Seuraavassa artikkelissa kerrotaan, miten Kinexus-rotaatioreometriämme voidaan käyttää kestomuovien karakterisointiin.

Lähde

[1] Polymeerien reologinen testaus ja ominaisuuksien määrittäminen rotaatioreometreillä ja kapillaariextruusioreometreillä (azom.com)

Kiitos tohtori Bob Marshille (Malvern Panalyticalin entinen työntekijä) tämän artikkelin alkuperäisenä kirjoittajana!