Bevezetés
Az extrudálás, a fröccsöntés és a sajtolás mind olyan eljárások, amelyek az anyag viszkozitásától, azaz áramlási ellenállásától függenek. A viszkozitás azonban nemcsak a feldolgozást, hanem a végtermék mechanikai jellemzőit is befolyásolja. Különösen a molekulatömeg és a viszkozitás szorosan összefügg.
A következőkben három különböző PEEK anyagot osztályozunk molekulatömegük szerint, a Kinexus rotációs reométeren végzett oszcillációs mérések segítségével.
Mérési feltételek
A frekvenciaméréseket három anyagon végezték el, amelyeket PEEK 1, PEEK 2 és PEEK 3 anyagnak neveztek el. A mintára alkalmazott feszültségnek (vagy feszültségnek) elég alacsonynak kell lennie ahhoz, hogy ne rontsa a minta szerkezetét, hogy a mérés a lineáris-vizkoelasztikus tartományon belül (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) történjen. 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 határérték meghatározásához előzetes mérésként egy amplitúdó-söprés szolgál. Az 1. táblázat az amplitúdó- és a frekvenciasöprés feltételeit mutatja be.
Táblázat: A rezgésmérések feltételei
| Amplitúdó sweep | Frekvencia sweep | |
|---|---|---|
| Eszköz | Kinexus ultra+ elektromosan fűtött kamrával | |
| Geometria | PP25 (lemez-lemez, átmérő: 25 mm) | |
| Hézag | 500 μm | 500 μm |
| Hőmérséklet | 360°C | 360°C |
| Nyírási alakváltozás | 1-100% | - |
| Nyírófeszültség | - | 1 000 Pa (PEEK 1), 500 Pa (PEEK 2 és 3) |
| Frekvencia | 1 Hz | 10-0,01 Hz |
| Atmoszféra | Nitrogén (1 l/min) | |
Amplitúdó-söprés: Az LVER meghatározása (Lineáris viszkoelasztikus tartomány)
Az 1. ábra a PEEK 1-en végzett amplitúdó-söprésből származó görbéket mutatja a nyírási alakváltozás függvényében. Kb. 30%-os nyírási alakváltozásig - ami kb. 10 000 Pa nyírási feszültségnek felel meg - a G´ nyírási Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus állandó marad, ami arra utal, hogy az anyag 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-ben van. A G´ csökkenése nagyobb nyírófeszültségek esetén a minta szerkezetének felbomlásával magyarázható. A következő frekvenciapásztázáshoz 1000 Pa nyírófeszültséget választottunk.
Frekvenciasöprés
A 2. ábra a fázisszög mellett a PEEK 1 anyag frekvenciasöprése során a rugalmassági és a veszteségnyírási modulus görbéit is ábrázolja. Az alacsonyabb frekvenciák irányában a veszteségnyírási modulus dominál a rugalmas nyírási modulus felett, ami 45°C-nál nagyobb fázisszöget eredményez. A G' és a G" görbék 15 Hz-es frekvenciánál keresztezik egymást. Itt az anyag átmegy a folyadék-dominált állapotból, amelyben a polimerláncoknak van idejük szétválni (alacsony frekvenciák), a szilárd-dominált állapotba, ahol a láncok egymásba kapcsolódnak és hálózatszerűen viselkednek (magas frekvenciák).
Néhány meghatározás
G*: Komplex nyírási modulus
G': G": Tárolási nyírási modulus, rugalmas hozzájárulás a G*-hoz
G": Veszteségnyíró modulus, viszkózus hozzájárulás G*-hoz
δ: Fázisszög
A δ fázisszög (δ = G"/G') az anyag viszkózus és rugalmas tulajdonságainak relatív mérőszáma. A teljesen rugalmas anyag esetében 0°-tól a teljesen viszkózus anyag esetében 90°-ig terjed.
A 3. és 4. ábra a 2. és 3. PEEK-minták frekvenciasöprését mutatja ugyanezen feltételek mellett. A két anyag eredő görbéi nagyon hasonlóak, és eltérnek az első mintától. A teljes mérés során a viszkózus nyírási modulus (G") dominál a rugalmas nyírási modulus (G') felett, ami 45°-nál nagyobb fázisszöget (δ) eredményez. Az alacsonyabb frekvenciák irányában a fázisszög növekszik, és csaknem eléri a 90°-os maximális értéket. Más szóval, alacsony frekvenciákon (vagy hosszú távú skálákon) a minta szinte tisztán viszkózus folyadékként viselkedik, rugalmas tulajdonságok nélkül. A mért frekvenciatartományban nem észleltünk átmenetet, azonban magasabb frekvenciákon valószínűleg létezik, mivel a G´ és a G" görbék a frekvenciák növekedésével egymás felé tendálnak. A polimerek molekulatömege összefügg a kereszteződés helyzetével: Minél alacsonyabb az átmenet frekvenciája, annál nagyobb a molekulatömeg.
Ebben az esetben a PEEK 1 molekulatömege nagyobb, mint a PEEK 2 és a PEEK 3. A PEEK 2 és a PEEK 3 a nyírási Rugalmassági modulusA komplex modulus (rugalmas komponens), tárolási modulus vagy G', a minták "valós" része a teljes komplex modulus. Ez a rugalmas komponens jelzi a mérendő minta szilárd, vagy fázisban lévő válaszát. rugalmassági modulus értékeiben különbözik. A PEEK 2 esetében alacsonyabb, mint a PEEK 3 esetében a teljes mért frekvenciatartományban (0,01 Hz-en több mint egy dekád különbség). A PEEK 2 veszteségnyírási modulusa is alacsonyabb, mint a PEEK 3. Ez a PEEK 3 esetében nagyobb merevséget eredményez.
A nulla nyírási viszkozitású platótól a molekuláris tömegig
Az 5. ábra összehasonlítja a három minta komplex viszkozitását (η). A PEEK 1 és a PEEK 2 görbéi csaknem párhuzamosak, mindkettő elér egy newtoni platót az alacsony frekvenciatartományban, és magasabb frekvenciákon nyíróvékonyodó viselkedést mutat. A newtoni plató szintje a polimer molekulatömegével függ össze: Minél nagyobb a molekulatömeg, annál nagyobb a zérusviszkozitás. [1]
Ezzel szemben az 1. minta komplex viszkozitása (η*) a frekvencia csökkenésével tovább növekszik, és a newtoni platót még 0,01 Hz frekvencián sem éri el. Sőt, a teljes mért frekvenciatartományban ez a PEEK-anyag magasabb komplex viszkozitást mutat, több mint 1,5 dekádnyi különbséggel a 2. mintához képest 0,01 Hz-en.
Mindhárom minta nyírási viszkozitási platójának szintjéből arra lehet következtetni, hogy a PEEK 1 nagyobb molekulatömeggel rendelkezik, ezt követi a PEEK 2 és a PEEK 3. Ez megerősíti a G´ és G" görbék által kapott eredményeket.
Következtetés
Három PEEK-minta reológiai viselkedését a Kinexus rotációs reométerrel jellemeztük. Ezek a komplex viszkozitás nulla nyírási nyírási viszkozitási platójának értékében különböznek egymástól. Ez az anyagok molekulatömegének különbségeinek köszönhető.