Merülés a hőre lágyuló műanyagok reológiájának alapjaiba

A reológia az anyagok áramlásának és deformációjának tanulmányozásával foglalkozó tudomány, amely a Hooke és Newton által a ¹⁷. század végén javasolt rugalmassági és viszkozitási törvényekben gyökerezik. A hőre lágyuló polimerolvadékokat széles körben használják számos modern ipari folyamatban, tárgyak sokaságának előállításához. A polimereket azért használják, mert olvadt állapotban viszonylag olcsón alakíthatók összetett formákká. Meg kell azonban értenünk, hogyan áramlanak feldolgozás közben [1].

A polimerek áramlási viselkedését befolyásoló tényezők

A polimerek reológiai jellemzése bonyolult anyag, mivel számos tényező befolyásolja áramlási tulajdonságaikat. Az áramlási viselkedést befolyásoló tényezők közé tartozhat például a feldolgozási hőmérséklet, az áramlási sebesség, a tartózkodási idő stb.

Továbbá a polimerek reológiai tulajdonságai a folyadék és a szilárd anyag tulajdonságai között helyezkednek el. Ez az áramlási tulajdonságok időfüggését és más fontos jellemzőket eredményez, amelyek közül néhányat az alábbiakban tárgyalunk [1].

A polimerek fontos reológiai tulajdonságai

Az olvadék viszkozitása köztudottan kritikusan függ a hőmérséklettől. Azzal, hogy a szerszám hőmérsékletét addig csökkentjük, amíg a gyártandó alkatrész matt felületű nem lesz, a folyamatmérnök megtudhatja azt a minimális hőmérsékletet (és így a maximális gyanta viszkozitást), amelynél a folyamat lefuttatható anélkül, hogy a felületi hibák nyilvánvalóvá válnának. A szerszám hőmérsékletének csökkentése energiát takarít meg és csökkentheti a ciklusidőt, ezért az olvadék viszkozitása hőmérsékletfüggésének megértése nagyon hasznos.

A polimerolvadékokról ismert, hogy extrudáláskor duzzadást mutatnak. Ez a jelenség az extrudátum átmérőjének növekedésében nyilvánul meg a szerszámból való kilépés után. A duzzadás mértéke összefügg az anyag rugalmas deformációjának mértékével a szerszám bemeneténél. További figyelembe veendő tény, hogy a szerszám duzzadásának (helyesebben az extrudátum duzzadásának) mértéke a szerszám hosszától függ, ha az anyagot állandó átfolyási sebességgel extrudálják. Más szóval a polimerolvadék időfüggő, mivel az anyag elfelejti a szerszám bejáratánál alkalmazott rugalmas deformációt, minél több időt tölt az anyag a szerszámban, annál kisebb a szerszám duzzadása.

Az olvadék rugalmassága számos más polimerfolyamatra is mélyreható hatással lehet, mint például:

• A fúvott alkatrész falvastagsága függ az extrudálási folyamat során a szerszám lezárása előtt bekövetkezett duzzadás mértékétől.
• Vákuumformázás vagy hőformázás, ahol a polimernek bizonyos fokú rugalmasságot kell fenntartania, hogy megakadályozza az anyag megereszkedését, mielőtt vákuummal áthúzzák a hidegalakító szerszámon. Ha az anyag nem rendelkezik megfelelő rugalmassággal, akkor a vákuum vagy a nyomás alkalmazása előtt valószínűleg érintkezésbe kerül a hűtött szerszámmal [1].

Hogyan jellemezzük a polimer olvadék áramlási viselkedését

A polimerek feldolgozási tulajdonságai a kenőanyagok, lágyítók, töltőanyagok és egyéb összetevők koncentrációjától is függnek a feldolgozandó vegyületben. E rövid bevezetőből megérthetjük, hogy a polimerek olvadékáramlási viselkedésének megfelelő jellemzése valószínűleg kifinomult és sokoldalú műszereket igényel.

A reológus szemszögéből a polimerek áramlási viselkedése kényelmesen három összetevőre osztható: Nyírási és extenziós áramlás, amelyeket a megfelelő viszkozitások és a rugalmas viselkedés jellemez, amelyet a modulus vagy a duzzadási arányok mérése jellemez [1].

A megfelelő műszerezettség kulcsfontosságú

Az anyag teljes körű jellemzéséhez olyan műszerekre van szükség, amelyek képesek ezeket a paramétereket különböző hőmérsékleteken és nyírási/nyújtási sebességek tartományában meghatározni. A modern laboratóriumi reológiai vizsgálóberendezések két nagy kategóriába sorolhatók: Kinexus rotációs reométerek és Rosand kapilláris reométerek. Továbbá a hőelemző műszerek, mint a differenciál pásztázó kalorimetria, a dinamikus mechanikai analízis és a termomechanikai analízis szintén értékes betekintést engednek az anyagtulajdonságokba.

A következő cikkben megtudhatja, hogyan használható a Kinexus rotációs reométerünk a hőre lágyuló műanyagok jellemzésére.

Forrás

[1] Polimerek reológiai vizsgálata és a tulajdonságok meghatározása rotációs reométerek és kapilláris extrúziós reométerek segítségével (azom.com)

Köszönet Dr. Bob Marshnak (a Malvern Panalytical korábbi munkatársának), mint a cikk eredeti szerzőjének!