Pendahuluan
Rheometer rotasi dapat melakukan pengukuran di bawah laju atau tekanan geser yang ditentukan dalam viskometri (di mana pelat atas berputar) dan osilasi (di mana pelat atas berosilasi pada frekuensi tertentu). Meskipun viskositas geser sering kali merupakan hasil yang paling sering diinginkan dari eksperimen rotasi, uji osilasi memberikan informasi tentang sifat visko-elastis sampel, terutama viskositas kompleks (ŋ*) yang diperoleh dari kekakuan kompleks (G*)[1].
Berikut ini, polipropilena diukur menggunakan viskometri dan osilasi dan viskositas geser (ŋ) dibandingkan dengan viskositas kompleksnya (ŋ*).
Tabel 1: Parameter uji pengukuran rotasi
| Perangkat | Kinexus ultra+ dengan ruang berpemanas listrik | |
| Geometri | CP2/20 (Pelat Kerucut, sudut: 2°, diameter: 20 mm) | |
| Suhu | ||
| Celah pengukuran | 66 μm | |
| Laju geser (-γ) | 0.01 hingga 10 s-1 | |
Pengukuran Rotasi pada Polipropilena
Pengukuran rotasi dilakukan pada pelet polipropilena dengan menggunakan NETZSCH Kinexus ultra+ rheometer. Tabel 1 merinci kondisi pengukuran.
Gambar 1 menampilkan kurva yang dihasilkan dari tegangan geser (σ, hijau) dan viskositas geser (ŋ, biru) untuk laju geser yang diprogram. Pada kisaran laju geser rendah, peningkatan tegangan geser dengan meningkatnya laju geser adalah linier dan viskositas geser hampir konstan: Ini adalah dataran tinggi Newton dari material.
Sekitar 0,1 s-1, viskositas geser mulai berkurang dengan meningkatnya laju geser. Kemiringannya berubah; ini merupakan indikasi perilaku Penipisan GeserJenis perilaku non-Newtonian yang paling umum adalah penipisan geser atau aliran pseudoplastik, di mana viskositas fluida berkurang dengan meningkatnya geseran.penipisan geser yang lebih jelas. Namun, dengan melihat kurva kondisi tunak (yang merupakan indikasi untuk aliran yang tidak bergantung pada waktu di dalam sampel, Gambar 2, hitam) menunjukkan bahwa di atas laju geser ini, aliran tidak lagi bergantung pada waktu. Dipastikan bahwa pengukuran mengarah pada nilai viskositas geser yang benar dengan memeriksa nilai aliran tunak: Nilai-nilai tersebut berjumlah 1 untuk aliran laminer yang tidak bergantung pada waktu. Di sini, peningkatan kurva membuktikan bahwa nilai viskositas geser yang ditampilkan tidak lagi dapat diandalkan dalam dekade terakhir.
Dari manakah perilaku ini berasal? Lihatlah Gambar 3 untuk mendapatkan jawabannya. Selain viskositas geser (biru), tegangan geser (hijau) diplot bersama dengan perbedaan tegangan normal pertama (N1, merah). Peningkatan yang kuat pada perbedaan tegangan normal pertama, N1, kemungkinan besar diakibatkan oleh efek Weissenberg: Sifat elastis sampel mendominasi sifat kental. Sampel mencoba untuk mendorong geometri bagian atas (hal ini tidak mungkin terjadi karena celah pengukuran tetap konstan selama pengukuran). Efek ini disorot oleh kurva N1 yang melebihi kurva tegangan geser.
Bagaimana Mendapatkan Nilai Viskositas Geser: Aturan Cox-Merz
Dalam kasus seperti itu, di mana kurva viskositas geser tidak dapat dievaluasi dengan baik, aturan Cox-Merz [2] sangat berguna. Ini adalah hubungan empiris yang menyatakan bahwa untuk sebagian besar lelehan polimer, viskositas geser (η) sebagai fungsi dari laju geser (-γ [s-1]) sama dengan viskositas kompleks (η* [Pa-s]) sebagai fungsi frekuensi sudut (ω [rad/s]). Kurva kedua ini diperoleh dengan pengukuran osilasi yang frekuensinya divariasikan (sapuan frekuensi).
Pertama, sapuan amplitudo dilakukan untuk menentukan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang akan digunakan selama sapuan frekuensi. Deformasi yang diterapkan pada polimer harus cukup rendah agar tidak menyebabkan kerusakan struktur sampel. Dengan kata lain, SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang dipilih harus berada dalam rentang viskoelastik linier (Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER) sampel, di mana SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan dan tegangan dihubungkan oleh hubungan linier.
Tabel 2 merinci kondisi pengukuran osilasi yang dilakukan pada polipropilena.
Gambar 4 menampilkan kurva yang dihasilkan dari elastisitas, Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan, dan sudut fasa sebagai fungsi deformasi (Gambar 4A) dan tegangan geser yang sesuai (Gambar 4B). Pada awal pengukuran, Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas dan viskositas tetap konstan: Hal ini mengindikasikan bahwa deformasi yang diterapkan tidak merusak struktur sampel. Namun, dari SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser 20%, peningkatan amplitudo menyebabkan penurunan pada kedua modulus, sementara sudut fase meningkat. Sesuai dengan ISO 6721-10, ujung Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER ditentukan pada amplitudo yang menyebabkan penurunan 5% pada nilai G'. Dalam hal ini, ini sesuai dengan nilai 32%.
Tabel 2: Parameter uji pengukuran osilasi
Sapuan Amplitudo | Sapuan Frekuensi | |
| Perangkat | Kinexus ultra+ dengan ruang berpemanas listrik | |
| Geometri | PP25 (pelat-pelat, diameter: 25 mm) | PP25 |
| Suhu | ||
| Kesenjangan pengukuran | 1 mm | 1 mm |
| Frekuensi | 1 Hz | 10-3 hingga 10 Hz |
| Regangan geser (γ*) | 1 hingga 100% | - |
| Tegangan geser (σ*) | - | 1.000 Pa |
Kurva yang diperoleh selama sapuan amplitudo juga dapat ditampilkan sebagai fungsi tegangan geser (Gambar 4B). Untuk sapuan frekuensi berikutnya, tegangan geser sebesar 1000 Pa diterapkan pada sampel.
Gambar 5 menggambarkan viskositas geser dari pengukuran rotasi (biru) bersama dengan viskositas kompleks dari sapuan frekuensi (oranye). Kedua kurva tersebut memiliki kesesuaian yang baik antara 10-2 dan 2 rad/s. Hal ini menegaskan Kesimpulan Viskositas geser dan viskositas kompleks lelehan polipropilena dibandingkan melalui pengukuran rotasi dan osilasi. Selama aliran yang stabil dapat diterapkan pada polimer, kesesuaian yang baik antara viskositas geser dan viskositas kompleks dapat ditunjukkan. Perilaku ini diharapkan dari aturan Cox-Merz. Untuk laju geser yang lebih tinggi, di mana ketidakstabilan aliran terjadi, aliran yang stabil tidak lagi tercapai. Di sini, aturan Cox-Merz sangat berguna karena aturan ini mengungkapkan pengetahuan tentang viskositas geser dengan menggunakan viskositas kompleks. Viskositas geser (η, biru) dan viskositas kompleks (η*, oranye) selama pengukuran rotasi dan osilasi pada lelehan polipropilena cair yang telah dibahas di atas: Ketidakstabilan aliran yang terjadi pada laju geser yang lebih tinggi mencegah aliran tidak bergantung pada waktu. Akibatnya, tidak ada hasil yang dapat diandalkan yang dapat diperoleh dengan pengukuran rotasi. Namun, dengan menggunakan Cox-Merz, viskositas geser kondisi tunak dapat dengan mudah ditentukan: Kita hanya perlu mendapatkan viskositas kompleks sebagai fungsi frekuensi sudut setelah melakukan pengukuran osilasi.
Kesimpulan
Viskositas geser dan viskositas kompleks lelehan polipropilena dibandingkan dengan menggunakan pengukuran rotasi dan osilasi. Selama aliran yang stabil dapat diterapkan pada polimer, kesesuaian yang baik antara viskositas geser dan viskositas kompleks dapat ditunjukkan. Perilaku ini diharapkan dari aturan Cox-Merz. Untuk laju geser yang lebih tinggi, di mana ketidakstabilan aliran terjadi, aliran yang stabil tidak lagi tercapai. Di sini, aturan Cox-Merz sangat berguna karena aturan ini mengungkapkan pengetahuan tentang viskositas geser dengan menggunakan viskositas kompleks.