Pendahuluan
Pengukuran viskometri menentukan viskositas geser suatu bahan. Dalam jenis pengujian ini, sampel ditempatkan di antara dua pelat. Pelat atas berputar dengan laju geser (atau tegangan geser) yang ditentukan, lihat Gambar 1. Laju geser ditentukan dengan menggunakan kecepatan sudut V, dari pelat atas serta jarak h, antara kedua pelat. Tegangan geser yang diperlukan untuk menginduksi laju geser ini dihitung dengan menggunakan torsi yang diberikan, F.
Pengukuran tersebut dapat dilakukan sebagai laju geser terkendali, seperti yang dijelaskan di atas, atau sebagai tegangan geser terkendali.
Dalam hal ini, tegangan geser diterapkan dan laju geser ditentukan.
Terlepas dari mode kontrol, penentuan viskositas geser dapat dilakukan dengan rumus berikut ini:
Kisaran laju geser dari pengukuran tersebut terbatas. Jika gaya sentrifugal (cenderung menggerakkan material ke arah luar) melebihi gaya normal (yang mendorong geometri bagian atas ke atas), sampel dapat terlontar keluar dari celah pengukuran. Dalam hal ini, kurva viskositas yang dihasilkan harus dievaluasi dengan sangat hati-hati. Kurva tegangan geser adalah salah satu indikator yang menunjukkan validitasnya. Karena harus selalu meningkat dengan meningkatnya laju geser, penurunan tegangan geser menunjukkan batas rentang pengukuran.
Gambar 2 menggambarkan contoh perilaku ini. Di sini, lelehan polimer (PEEK) diukur dalam rotasi antara 0,1 dan 100 s-1. Penurunan tegangan geser dari 50 s-1 mengindikasikan pengeluaran sampel (juga dikenal sebagai fraktur sampel) karena tegangan geser mulai turun pada titik ini. Oleh karena itu, nilai viskositas di atas laju geser ini tidak valid dan mewakili sampel.
Bagaimana Cara Mendapatkan Viskositas Geser pada Laju Geser yang Lebih Tinggi?
Cara mudah untuk mendapatkan hasil pada laju geser yang lebih tinggi dari 50 s-1 (dalam rheometer rotasi) adalah dengan menggunakan aturan Cox-Merz. Hubungan empiris ini menetapkan bahwa untuk sebagian besar lelehan polimer yang tidak terisi, viskositas geser η dapat diprediksi dengan viskositas kompleks η*. Solusi alternatif untuk mengukur perilaku aliran pada kondisi pemrosesan yang lebih cepat atau laju geser yang lebih tinggi dapat dicapai dengan penggunaan rheometer kapiler bertekanan tinggi.
Apa yang dimaksud dengan Viskositas Kompleks?
Viskositas kompleks diperoleh dengan pengukuran osilasi. Dalam pengujian ini, geometri atas tidak lagi berputar, tetapi berosilasi pada frekuensi tertentu (gambar 3).
Perbedaan (jeda/fase δ) pada sinyal sinusoidal input dan output mendefinisikan sifat material sampel (gambar 4). Pengukuran ini dilakukan untuk amplitudo yang small cukup untuk tidak merusak struktur sampel, sehingga SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan yang diberikan dan tegangan yang dihasilkan proporsional dan frekuensi respons sama dengan frekuensi input.
Melalui jenis pengujian ini, sifat viskoelastik material dikuantifikasi, misalnya, kekakuannya1 yang diberikan oleh apa yang disebut Modulus KompleksModulus kompleks terdiri dari dua komponen, yaitu modulus penyimpanan dan modulus kehilangan. Modulus penyimpanan (atau modulus Young) menggambarkan kekakuan dan modulus kehilangan menggambarkan perilaku redaman (atau viskoelastik) dari sampel yang sesuai dengan menggunakan metode Analisis Mekanik Dinamis (Dynamic Mechanical Analysis/DMA). modulus kompleks, G*. Viskositas kompleks, η*, adalah:
Viskositas Kompleks dan Viskositas Geser: Aturan Cox-Merz
Aturan Cox-Merz dapat diringkas dengan hubungan berikut:
Dinyatakan dengan kata-kata, ini berarti bahwa hasil viskositas geser sebagai fungsi laju geser (diperoleh dengan rotasi) setara dengan hasil viskositas kompleks sebagai fungsi frekuensi sudut (diperoleh dengan osilasi). Oleh karena itu, dimungkinkan untuk mendapatkan viskositas geser untuk laju geser yang lebih tinggi daripada batas pengukuran rotasi, yaitu 50 s-1 untuk contoh yang disajikan dalam artikel ini.
Gambar 5 menunjukkan hasil pengukuran rotasi dan osilasi untuk sampel PEEK yang diplot sebagai fungsi laju geser dan frekuensi sudut pada skala yang sama. Umumnya kurva tersebut hanya akan ditampilkan sebagai fungsi dari laju geser dengan keterangan aturan Cox-Merz. Hasil yang disajikan pada Gambar 5 menunjukkan bahwa pada rentang laju geser yang lebih rendah, viskositas kompleks dan viskositas geser memiliki kesesuaian yang baik. Pada laju geser yang lebih tinggi, nilai viskositas geser yang lebih akurat diperoleh dengan menggunakan aturan Cox-Merz pada viskositas kompleks (garis oranye). Penurunan viskositas geser yang lebih jelas (garis biru) disebabkan oleh fraktur sampel, seperti yang dijelaskan di atas.
Kesimpulan
Contoh yang ditampilkan menunjukkan kesesuaian yang baik antara viskositas geser dan viskositas kompleks pada kisaran laju geser yang rendah. Segera setelah material mulai mengalir keluar dari celah selama rotasi, viskositas tidak dapat lagi ditentukan dengan jenis pengukuran ini. Akan tetapi, aturan Cox-Merz memungkinkan nilai viskositas geser ditentukan dengan menggunakan pengukuran osilasi.