Bevezetés
A polipropilén (PP) – mint kulcsfontosságú, általános célú műanyag – kiváló mechanikai tulajdonságai, kémiai stabilitása és feldolgozási jellemzői miatt széles körben elterjedt az autóiparban, a csomagolóiparban, az elektronikai iparban, a textiliparban és más iparágakban. Azonban a PP-anyagok feldolgozásának további optimalizálása, valamint a termékminőség és a teljesítmény javítása érdekében nagy gyakorlati jelentősége van a PP reológiai viselkedésének mélyreható vizsgálatának.
A viszkozitás, mint a polimerek áramlási viselkedésének kritikus mutatója, szorosan összefügg az anyag feldolgozásával. A különböző gyártási folyamatokban a PP-nek meghatározott hőmérsékleti tartományokon belül kell áramlania és formát öltenie. Ezért a PP viszkozitásának hőmérséklettől való függésének pontos megértése lehetővé teszi a mérnökök számára a feldolgozási paraméterek pontos szabályozását, biztosítva a PP optimális áramlási képességét és formázási minőségét a gyártás során.
A kapilláris reométer, egy classic reológiai mérőműszer, széles körben használatos a polimer kutatásban, mivel képes az anyagok reológiai tulajdonságainak mérésére széles nyírási sebesség- és hőmérsékleti tartományban. Ebben a tanulmányban egy „ NETZSCH ” Rosand RH10 kapilláris reométert (1. ábra) alkalmaztunk a hőmérséklet és a nyírási sebesség hatásának szisztematikus vizsgálatára a PP olvadékviszkozitására és viszkózus áramlási aktivációs energiájára. Az eredmények elméleti alapot nyújtanak a PP feldolgozási paramétereinek optimalizálásához, ami végső soron javítja a PP-termékek minőségét és teljesítményét.
Mérési feltételek és vizsgálati módszer
A mérési feltételeket az 1. táblázat tartalmazza.
1. táblázat: Mérési feltételek
| Mérőműszer | NETZSCH Rosand RH10 |
| Minták | PP |
Nyomás érzékelő | 10 000 psi |
| Sablon specifikáció | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Vizsgálati hőmérséklet | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Nyírási sebesség tartomány | 10–10 000 s⁻¹ |
Miután a bal oldali henger alá behelyezték a szerszámokat, és megvárták, amíg a hőmérséklet stabilizálódik, PP-granulátumot adagoltak lassan a hengerbe, 1 MPa nyomásra préselték, majd állandó hőmérsékleten 5 percig előmelegítették. Ezt követően a készülék automatikusan elvégezte a vizsgálatot: beállította a nyírási sebességet és rögzítette a nyomást.
Mérési eredmények és értékelés
A 2. ábra a PP-minták nyíróviszkozitásának és nyírósebességének függvényét mutatja különböző hőmérsékleteken. Amint a 2. ábrából látható, a PP-minták nyíróviszkozitása minden hőmérsékleti körülmény között fokozatosan csökken a nyírósebesség növekedésével, ami tipikus nyíróhígulási viselkedést mutat. Ez a jelenség azért következik be, mert a PP makromolekuláris láncok kibogozódása magasabb nyírási sebességek mellett fokozódik, ami a nyíróviszkozitás gyors csökkenéséhez vezet. A nyírási sebesség további növekedésével azonban a nyírófeszültségnek a makromolekuláris szétválasztás elősegítésére gyakorolt hatása csökken, ami a nyíróviszkozitás csökkenési trendjének lelassulását eredményezi.
Ezenkívül a PP-minták nyíróviszkozitása azonos nyírási sebesség mellett a hőmérséklet emelkedésével jelentősen csökken. Ez annak köszönhető, hogy a hőmérséklet emelkedésével a PP-olvadék szabad térfogata nő, ami fokozza a láncszegmensek mobilitását, és csökkenti a molekulák közötti kölcsönhatási erőt, ezáltal javítva a PP folyékonyságát. Azonban a különböző hőmérsékleteknél mért nyíróviszkozitási értékek közötti különbség észrevehetően csökken, ha a nyírási sebesség meghaladja az 500 s-1-et. Különösen akkor, ha a nyírási sebességet 5000 s⁻¹-re növeljük, a különböző hőmérsékleteknél mért nyírási viszkozitási görbék átfedésbe kerülnek, és a nyírási viszkozitás csökkenési tendenciája lelassul. Ez arra utal, hogy egy kritikus nyírási sebesség felett a PP nyírási viszkozitásának hőmérséklet iránti érzékenysége csökken, ami arra utal, hogy ebben a nyírási sebességtartományban a PP feldolgozási hőmérsékleti tartománya kiszélesedik.
A viszkózus áramlás aktiválási energiája (Eη) a polimer olvadék látszólagos nyíróviszkozitásának hőmérséklet-érzékenységét jelzi. A magasabb Eη-érték az olvadék viszkozitásának nagyobb hőmérséklet-érzékenységét jelenti, míg az alacsonyabb érték a hőmérsékletfüggőség csökkenését sugallja. Az Eη-t az Arrhenius-egyenlettel (1) lehet kiszámítani:
ahol ηa az olvadék viszkozitása; Eη a viszkózus áramlás aktiválási energiája; R a gázállandó (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A pedig egy hőmérséklettől független állandó.
A 2. ábrán szereplő mérési adatok alapján elkészítettük és illesztettük az lgηa és 1/T közötti függvénygrafikonokat. Ennek eredményeként a 3. ábrán láthatók az lgηa ~1/T összefüggés görbéi különböző nyírási sebességek esetén, a konkrét értékeket a 2. táblázat tartalmazza. Amint az ábra mutatja, a PP Eη értéke különböző nyírási sebességek esetén a 3. ábrán látható illesztett lineáris görbék meredekségéből határozható meg; a konkrét értékeket a 2. táblázat tartalmazza. A PP Eη értéke a vizsgált hőmérsékleti tartományon belül a nyírási sebesség növekedésével csökken. Ez arra utal, hogy a PP olvadék nyírási viszkozitása magas nyírási sebességek mellett kevésbé érzékeny a hőmérsékletre. Molekuláris dinamikai szempontból ez a jelenség azzal magyarázható, hogy a külső nyíróerők megszakítják a PP-molekulák közötti összefonódást, ezáltal csökkentve a nyíróviszkozitás hőmérséklet-érzékenységét. Ez tükröződik a viszkozitási görbéken (2. ábra), ahol a különböző hőmérsékleteknél mért görbék magas nyírási sebességek mellett szinte egymásra esnek. Ezért a hőmérséklet emelése magas nyírási sebességek mellett kevésbé hatékony a PP-olvadék nyíróviszkozitásának csökkentésében. Ezzel szemben alacsony nyírási sebességek mellett a hőmérséklet emelése jelentősen javíthatja a PP folyóképességét, ezáltal csökkentve a feldolgozás során felhasznált energiafogyasztást.
2. táblázat: A PPEη értéke különböző nyírási sebességek mellett
| Nyírási sebesség (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10 000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Következtetés
Ebben az alkalmazási útmutatóban a PP reológiai tulajdonságait különböző hőmérsékleteken és nyírási sebességek mellett vizsgáltuk egy Rosand RH10 kapilláris reométer segítségével. Viszonylag alacsony nyírási sebességek mellett (10–500 s-1) a PP nyírási viszkozitása a nyírási sebesség növekedésével jelentősen csökken, míg magas nyírási sebességek mellett (500–10 000 s-1) a nyírási viszkozitás csökkenése fokozatosabbá válik. Ezen felül a PP Eη értéke a nyírási sebesség növekedésével csökken, ami arra utal, hogy a magasabb nyírási sebességek hatékonyan csökkentik a PP olvadékviszkozitásának hőmérséklet-érzékenységét.