Reologi Polimer dan Massa Molekul

Pendahuluan

Ekstrusi, pencetakan injeksi dan pencetakan kompresi adalah semua proses yang bergantung pada viskositas material, yaitu ketahanannya terhadap aliran. Namun, viskositas tidak hanya memengaruhi pemrosesan, tetapi juga karakteristik mekanis produk akhir. Secara khusus, massa molekul dan viskositas berhubungan erat.

Berikut ini, tiga bahan PEEK yang berbeda diklasifikasikan menurut massa molekulnya menggunakan pengukuran osilasi pada rheometer rotasi Kinexus.

Kondisi Pengukuran

Pengukuran frekuensi dilakukan pada tiga bahan, yang disebut MENGINTIP 1, MENGINTIP 2 dan MENGINTIP 3. Regangan (atau tegangan) yang diterapkan pada sampel harus cukup rendah agar tidak merusak struktur sampel sehingga pengukuran dilakukan dalam rentang linier-viskoelastik (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). Sapuan amplitudo berfungsi sebagai pengukuran awal untuk menentukan batas 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. Tabel 1 menggambarkan kondisi amplitudo dan sapuan frekuensi.

Tabel 1: Kondisi pengukuran osilasi

Sapuan Amplitudo: Penentuan LVER (Rentang Visko-Elastis Linier)

Gambar 1 menggambarkan kurva yang dihasilkan dari sapuan amplitudo pada MENGINTIP 1 sebagai fungsi SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser. Untuk SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser hingga sekitar 30% - sesuai dengan tegangan geser sekitar 10.000 Pa - modulus geser elastis G' tetap konstan, menunjukkan bahwa material berada dalam 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. Penurunan G' untuk SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser yang lebih tinggi disebabkan oleh kerusakan struktur sampel. Untuk sapuan frekuensi berikut ini, tegangan geser 1.000 Pa dipilih.

Sapuan Frekuensi

Gambar 2 menggambarkan kurva modulus geser elastis dan kehilangan modulus geser selain sudut fasa selama sapuan frekuensi bahan PEEK 1. Pada arah frekuensi yang lebih rendah, modulus geser hilang mendominasi modulus geser elastis, menghasilkan sudut fase yang lebih tinggi dari 45 ° C. Kurva G' dan G" berpotongan pada frekuensi 15 Hz. Di sini, material bertransisi dari keadaan yang didominasi cairan, di mana rantai polimer memiliki waktu untuk terurai (frekuensi rendah), ke keadaan yang didominasi padatan, di mana rantai saling bertautan dan berperilaku seperti jaringan (frekuensi tinggi).

Beberapa Definisi

G*: Modulus geser kompleks
G': Modulus geser penyimpanan, kontribusi elastis terhadap G*
G": Modulus geser rugi, kontribusi viskos terhadap G*
δ: Sudut fase

Sudut fase δ (δ = G"/G') adalah ukuran relatif dari sifat kental dan elastis suatu bahan. Jika berkisar dari 0° untuk bahan yang sepenuhnya elastis hingga 90° untuk bahan yang sepenuhnya kental.

Gambar 3 dan 4 menampilkan sapuan frekuensi sampel PEEK 2 dan 3 dalam kondisi yang sama. Kurva yang dihasilkan dari kedua bahan sangat mirip dan berbeda dari sampel pertama. Selama pengukuran lengkap, modulus geser viskos (G") mendominasi modulus geser elastis (G'), sehingga menghasilkan sudut fase (δ) yang lebih tinggi dari 45°. Ke arah frekuensi yang lebih rendah, sudut fase meningkat hingga mencapai hampir nilai maksimumnya yaitu 90°. Dengan kata lain, pada frekuensi rendah (atau skala panjang), sampel berperilaku seperti fluida kental yang hampir murni tanpa sifat elastis. Tidak ada persilangan yang terdeteksi dalam rentang frekuensi yang diukur, namun, kemungkinan ada pada frekuensi yang lebih tinggi karena kurva G' dan G" cenderung saling berhadapan dengan meningkatnya frekuensi. Massa molekul polimer terkait dengan posisi crossover: Semakin rendah frekuensi crossover, semakin tinggi massa molekulnya.

Dalam hal ini, MENGINTIP 1 memiliki massa molekul yang lebih tinggi daripada MENGINTIP 2 dan MENGINTIP 3. MENGINTIP 2 dan MENGINTIP 3 berbeda dalam nilai modulus geser elastis. Nilai modulus geser elastis PEEK 2 lebih rendah daripada PEEK 3 di seluruh rentang frekuensi yang diukur (perbedaan lebih dari satu dekade pada 0,01 Hz). Modulus geser rugi PEEK 2 juga lebih rendah daripada PEEK 3. Hal ini menghasilkan kekakuan yang lebih tinggi untuk PEEK 3.

Dari Dataran Tinggi Viskositas Geser Nol hingga Massa Molekul

Gambar 5 membandingkan viskositas kompleks (η) dari ketiga sampel. Kurva MENGINTIP 1 dan MENGINTIP 2 hampir sejajar, keduanya mencapai dataran tinggi Newtonian pada kisaran frekuensi rendah dan menunjukkan 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 pada frekuensi yang lebih tinggi. Tingkat dataran tinggi Newtonian terkait dengan massa molekul polimer: Semakin tinggi massa molekul, semakin tinggi viskositas nol. [1]

Sebaliknya, viskositas kompleks (η*) sampel 1 terus meningkat dengan penurunan frekuensi dan dataran tinggi Newton masih belum tercapai pada frekuensi 0,01 Hz. Selain itu, untuk seluruh rentang frekuensi yang diukur, material PEEK ini menunjukkan viskositas kompleks yang lebih tinggi dengan selisih lebih dari 1,5 dekade dengan sampel 2 pada frekuensi 0,01 Hz.

Dari tingkat plateau viskositas geser ketiga sampel tersebut, dapat disimpulkan bahwa MENGINTIP 1 memiliki massa molekul yang lebih tinggi, diikuti oleh MENGINTIP 2 dan MENGINTIP 3. Hal ini menegaskan hasil yang didapatkan oleh kurva G´ dan G".

Kesimpulan

Perilaku reologi dari tiga sampel PEEK dikarakterisasi menggunakan rheometer rotasi Kinexus. Ketiganya berbeda dalam nilai dataran tinggi viskositas geser nol dari viskositas kompleks. Hal ini disebabkan oleh perbedaan massa molekul bahan.