Bevezetés
A rotációs reométer meghatározott nyírási sebességek vagy feszültségek mellett végezhet méréseket viszkozmetriában (ahol a felső lemez forog) és oszcillációban (ahol a felső lemezek meghatározott frekvencián oszcillálnak). Míg a nyírási viszkozitás gyakran a leggyakrabban kívánt eredmény egy rotációs kísérletből, az oszcillációs vizsgálat információt szolgáltat a minta viszkoelasztikus tulajdonságairól, különösen a komplex viszkozitásáról (ŋ*), amelyet a komplex merevségből (G*) kapunk[1].
A következőkben a polipropilént mind viszkoziméteres, mind oszcillációs méréssel mértük, és a nyírási viszkozitást (ŋ) összehasonlítottuk a komplex viszkozitásával (ŋ*).
Táblázat: A forgásmérés vizsgálati paraméterei
| Készülék | Kinexus ultra+ elektromosan fűtött kamrával | |
| Geometria | CP2/20 (kúplemez, szög: 2°, átmérő: 20 mm) | |
| Hőmérséklet | ||
| Mérési rés | 66 μm | |
| Nyírási sebesség (-γ) | 0.01-10 s-1 | |
Forgási mérés polipropilénen
A NETZSCH Kinexus ultra+ reométerrel forgásmérést végeztünk polipropilén pelleteken. Az 1. táblázat részletezi a mérési feltételeket.
Az 1. ábra a nyírófeszültség (σ, zöld) és a nyírási viszkozitás (ŋ, kék) kapott görbéit mutatja a programozott nyírási sebességek esetén. Az alacsony nyírási sebességtartományban a nyírási feszültség növekedése a nyírási sebesség növekedésével lineáris, a nyírási viszkozitás pedig csaknem állandó: ez az anyag newtoni platója.
0,1 s-1 körül a nyírási viszkozitás a nyírási sebesség növekedésével csökkenni kezd. A meredekség megváltozik; ez a nyírási hígabb viselkedést jelzi. Ha azonban megnézzük az állandósult görbét (amely a mintán belüli időfüggetlen áramlást jelzi, 2. ábra, fekete), akkor látható, hogy e nyírási sebesség felett az áramlás már nem időfüggetlen. Az állandósult áramlási értékek ellenőrzésével biztosítható, hogy a mérés helyes nyírási viszkozitási értékekhez vezet: Ezek lamináris, időfüggetlen áramlás esetén 1 értéket adnak. Itt a görbe növekedése bizonyítja, hogy a megjelenített nyírási viszkozitásértékek az elmúlt évtizedben már nem megbízhatóak.
Honnan ered ez a viselkedés? A 3. ábrára vetett pillantás megadja a választ. A nyírási viszkozitás (kék) mellett a nyírófeszültség (zöld) és az első normálfeszültség-különbség (N1, piros) is ábrázolva van. Az első normálfeszültség-különbség (N1) erős növekedése valószínűleg a Weissenberg-hatás eredménye: A minta rugalmas tulajdonságai dominálnak a viszkózus tulajdonságok felett. A minta megpróbálja felfelé nyomni a felső geometriát (ez nem lehetséges, mert a mérési rés a mérés során állandó marad). Ezt a hatást kiemeli, hogy az N1 görbe meghaladja a nyírófeszültség görbét.
A nyírási viszkozitási értékek meghatározása: Cox-Merz szabály: A Cox-Merz-szabály
Ilyen esetekben, amikor a nyírási viszkozitási görbe nem értékelhető megfelelően, a Cox-Merz-szabály [2] nagyon hasznos. Ez egy empirikus összefüggés, amely kimondja, hogy a legtöbb polimerolvadék esetében a nyírási sebesség (-γ [s-1]) függvényében mért nyírási viszkozitás (η) megegyezik a szögfrekvencia (ω [rad/s]) függvényében mért komplex viszkozitással (η* [Pa-s]). Ezt a második görbét olyan oszcillációs méréssel kapjuk, amelyben a frekvenciát változtatjuk (frekvencia-söprés).
Először egy amplitúdó pásztázást végeznek a frekvenciapásztázás során használandó TörzsAz alakváltozás egy külső erő vagy feszültség által mechanikusan terhelt anyag deformációját írja le. A gumikeverékek statikus terhelés esetén kúszási tulajdonságokat mutatnak.törzs meghatározásához. A polimerre alkalmazott deformációnak elég alacsonynak kell lennie ahhoz, hogy ne vezessen a minta szerkezetének széteséséhez. Más szóval, a kiválasztott alakváltozásnak a minta lineáris viszkoelasztikus tartományában (Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER) kell lennie, ahol az alakváltozás és a feszültség lineáris kapcsolatban áll egymással.
A 2. táblázat részletezi a polipropilénen végzett oszcillációs mérések feltételeit.
A 4. ábra mutatja a kapott rugalmassági, veszteségi modulusok és fázisszög görbéket az alakváltozás (4A. ábra) és a megfelelő nyírófeszültség (4B. ábra) függvényében. A mérés kezdetén a rugalmassági és viszkózus modulusok állandóak: ez azt jelzi, hogy az alkalmazott deformáció nem roncsolja a minta szerkezetét. A 20%-os nyírófeszültségtől kezdve azonban az amplitúdó növekedése mindkét modulus csökkenéséhez vezet, miközben a fázisszög nő. Az ISO 6721-10 szabvány szerint az Lineáris viszkoelasztikus régió (LVER)Az LVER-ben az alkalmazott feszültségek nem elegendőek ahhoz, hogy a szerkezet szerkezeti szétesését (engedékenységét) okozzák, ezért fontos mikroszerkezeti tulajdonságokat mérnek.LVER végét azon az amplitúdónál határozzák meg, amely a G´ érték 5%-os csökkenéséhez vezet. Ebben az esetben ez 32%-os értéknek felel meg.
Táblázat: A rezgésmérések vizsgálati paraméterei
Amplitúdó Sweep | Frekvenciasöprés | |
| Eszköz | Kinexus ultra+ elektromosan fűtött kamrával | |
| Geometria | PP25 (lemez-lemez, átmérő: 25 mm) | PP25 |
| Hőmérséklet | ||
| Mérési hézag | 1 mm | 1 mm |
| Frekvencia | 1 Hz | 10-3-10 Hz |
| Nyírási alakváltozás (γ*) | 1-100% | - |
| Nyírófeszültség (σ*) | - | 1,000 Pa |
Az amplitúdó-söprés során kapott görbék a nyírófeszültség függvényében is ábrázolhatók (4B. ábra). Az ezt követő frekvenciasöpréshez 1000 Pa nyírófeszültséget alkalmaztunk a mintára.
Az 5. ábra a forgásmérésből származó nyírási viszkozitást (kék) a frekvencia-söpörésből származó komplex viszkozitással együtt (narancssárga) ábrázolja. Mindkét görbe jó egyezést mutat 10-2 és 2 rad/s között. Ez megerősíti a következtetést A polipropilén olvadék nyírási viszkozitását és komplex viszkozitását forgatási és oszcillációs méréssel hasonlítottuk össze. Amíg a polimerre egyenletes áramlást lehet alkalmazni, jó egyezést lehetett kimutatni a nyírási viszkozitás és a komplex viszkozitás között. Ez a viselkedés a Cox-Merz-szabály alapján várható. Nagyobb nyírási sebességeknél, ahol áramlási instabilitás lép fel, az egyenletes áramlás már nem érhető el. Itt a Cox-Merz-szabály nagy hasznát vesszük, mert a nyírási viszkozitás ismeretét a komplex viszkozitás segítségével tárja fel. A nyírási viszkozitás (η, kék) és a komplex viszkozitás (η*, narancssárga) az olvadt polipropilén olvadékon végzett forgatási és oszcillációs mérések során 5 a fent tárgyalt eredmények: A nagyobb nyírási sebességeknél fellépő áramlási instabilitások megakadályozzák, hogy az áramlás időfüggetlen legyen. Következésképpen a rotációs méréssel nem lehet megbízható eredményeket kapni. A Cox-Merz alkalmazása azonban lehetővé teszi az állandósult nyírási viszkozitás egyszerű meghatározását: Csak a komplex viszkozitást kell megkapni a szögfrekvencia függvényében, miután elvégeztünk egy oszcillációs mérést.
Következtetés
A polipropilén olvadék nyírási viszkozitását és komplex viszkozitását rotációs és oszcillációs méréssel hasonlították össze. Amíg a polimerre egyenletes áramlást lehet alkalmazni, jó egyezést lehetett kimutatni a nyírási viszkozitás és a komplex viszkozitás között. Ez a viselkedés a Cox-Merz-szabály alapján várható. Nagyobb nyírási sebességeknél, ahol áramlási instabilitás lép fel, az egyenletes áramlás már nem érhető el. Itt a Cox-Merz-szabály nagy hasznát vesszük, mert a nyírási viszkozitás ismeretét a komplex viszkozitás segítségével tárja fel.