Pengaruh suhu terhadap viskositas dan viskoelastisitas polimer,dan bagaimana karakteristik ini berhubungan dengan sifat-sifat dalam skala waktu yang lebih lama
Pendahuluan
Waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi, viskositas geser, dan waktu degradasi polimer merupakan parameter penting untuk kemampuan prosesnya, dan ketiganya sangat dipengaruhi oleh suhu. Peningkatan suhu mengurangi viskositas geser dan waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi, serta mempermudah pemrosesan. Namun, ini juga memulai OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi dan mempercepat degradasi termal produk. Selain itu, menambahkan lebih banyak panas membutuhkan lebih banyak konsumsi energi.
Kondisi Pengukuran
Dalam catatan aplikasi ini, efek suhu pada viskositas geser bahan polipropilena diselidiki dengan reometri rotasi. Tabel 1 merangkum kondisi pengukuran.
Tabel 1: Kondisi pengujian
| Perangkat | Kinexus ultra+ dengan HTC Prime |
|---|---|
| Geometri | CP2/20 (Pelat Kerucut, sudut kerucut: 2°, diameter: 20 mm) |
| Kesenjangan pengukuran | 70 μm |
| Suhu | Antara 190°C dan 230°C |
| Atmosfer | Nitrogen, aliran dinamis (1 l/menit) |
Hasil Pengukuran
Gambar 1 menunjukkan kurva viskositas geser material pada suhu yang berbeda. Untuk setiap suhu, polimer memiliki dataran tinggi viskositas Newtonian pada kisaran laju geser yang rendah. Di sini, laju geser tidak cukup tinggi untuk menyebabkan terlepasnya rantai polimer. Peningkatan suhu mengurangi viskositas geser dari 1.700 Pa.s pada 190 ° C menjadi 500 Pa.s pada 230 ° C, dengan demikian, pengurangan dengan faktor lebih dari 3 untuk perubahan suhu hanya 40 ° C!
Perhatian khusus harus diberikan tidak hanya pada suhu, tetapi juga pada atmosfer. Gambar 2 membandingkan kurva viskositas geser yang diperoleh pada suhu 230°C dalam atmosfer lembam (nitrogen) dan atmosfer OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi (udara). Penurunan viskositas geser yang terlihat jelas hampir sejak awal pengujian di bawah udara disebabkan oleh OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi polimer.
Efek Gaya Normal
Kurva viskositas geser pada gambar 1 (diukur dalam nitrogen) tampaknya menunjukkan bahwa viskositas mulai menurun antara 4 dan 10 s-1 untuk semua suhu yang diteliti. Namun, jika dilihat lebih dekat pada data, khususnya tegangan geser (σ) dan perbedaan tegangan normal pertama (N1) menunjukkan bahwa N1 melebihi σ, pada kecepatan geser di atas 12 s-1 (Gambar 3 menunjukkan data pada suhu 230°C). Ketika N1 melebihi σ, data mungkin tidak dapat diandalkan lagi.
Gaya normal yang tinggi ini disebabkan oleh efek Weissenberg: Pada laju geser yang tinggi, polimer mendorong ke atas pada geometri atas (dan ke bawah pada geometri bawah) karena viskositas ekstensionalnya menyebabkan polimer melingkar di sekitar kerucut, sehingga gaya normal meningkat dengan mantap. Karena celah tetap konstan, geometri tidak dapat bergerak secara vertikal dan ketika gaya normal melebihi tegangan geser rotasi, sampel mulai dikeluarkan dari celah. Setelah itu, kita mulai melihat penurunan N1.
Pengukuran Osilasi Polimer
Karena pengukuran geser mantap lelehan polimer antara kerucut dan pelat paralel sering kali menyebabkan patahnya tepi sampel, uji viskositas bahan ini biasanya dilakukan dengan menggunakan pengukuran osilasi. Aturan Cox-Merz [1] adalah hubungan empiris yang berlaku untuk sebagian besar sampel polimer yang tidak terisi dan menyatakan bahwa viskositas geser mantap pada laju geser yang diketahui akan sama dengan viskositas geser (komponen kompleks) pada frekuensi sudut yang ekuivalen (lihat gambar 4). Oleh karena itu, uji osilasi sering digunakan untuk pengujian viskometri lelehan polimer. Metode lain untuk mengukur viskositas geser pada laju geser yang lebih tinggi adalah dengan menggunakan rheometer kapiler Rosand (lihat gambar 5).
Prinsip Fungsional Rheometer Rotasi (Pengukuran Osilasi)
Pelat atas berosilasi dengan frekuensi yang ditentukan f [Hz] atau ω [rad/s] dan amplitudo [%] atau SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser kompleks γ [%].
Tegangan geser kompleks σ* [Pa] yang diperlukan untuk osilasi ini ditentukan dan dibagi menjadi bagian "dalam fase" dan "di luar fase".
Bagian "in-phase" terkait dengan sifat elastis (→ G`, modulus geser penyimpanan), bagian "out-phase" terkait dengan sifat viskos (→ G", modulus geser kehilangan) dari bahan viskoelastik.
Hasil: Sifat viskoelastik sampel ditentukan, khususnya kekakuan kompleks G* dan viskositas geser kompleks η* [Pa-s]:
Dari Suhu yang Berbeda hingga Frekuensi yang Berbeda: Superposisi Waktu-Suhu (TTS)
Suhu polimer tidak hanya memengaruhi viskositas geser (seperti yang telah dibahas sebelumnya), tetapi juga sifat viskoelastiknya. Faktanya, karena laju pelepasan dan pengikatan kembali polimer terkait dengan gerakan Brown molekul, perubahan suhu memengaruhi sifat viskoelastik dengan cara yang sama seperti perubahan waktu. Perilaku polimer selama waktu tertentu pada suhu tertentu mirip dengan perilaku pada skala waktu yang lebih pendek (yaitu, frekuensi yang lebih tinggi) dan suhu yang lebih tinggi. Karakteristik ini dapat digunakan untuk membuat "kurva master", yaitu kurva yang dihasilkan dari pengujian osilasi pada rentang frekuensi yang sangat luas. Kurva master dibuat dengan menggabungkan hasil sapuan frekuensi rentang normal dari suhu yang berbeda (isoterm). Sebagai contoh, gambar 6 menunjukkan kurva master pada pengikat aspal pada suhu 25°C (kurva hitam) yang dihitung dengan menggunakan sapuan frekuensi pada suhu yang berbeda antara 5°C dan 65°C (informasi lebih lanjut mengenai hal ini dapat dilihat di sini). Dengan cara ini, kurva induk memprediksi perilaku material dalam jangka waktu lama (yaitu pada rentang frekuensi rendah) tanpa memerlukan pengukuran yang memakan waktu. Di sini, pengujian titik pada frekuensi terendah yang ditampilkan (10-6 Hz) akan sesuai dengan waktu lebih dari 11 hari!
Kesimpulan
Rheometer rotasi Kinexus mampu mengkarakterisasi secara akurat ketergantungan suhu viskositas geser polipropilena. Hasil viskositas geser yang stabil dapat diterima untuk laju geser yang lebih rendah, namun pada geseran sedang hingga tinggi, perbedaan tegangan normal pertama N1 melebihi tegangan geser yang menyebabkan kegagalan tepi. Namun, aturan Cox-Merz memungkinkan kita untuk menghasilkan nilai viskositas geser mantap yang sama dengan menggunakan uji osilasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Oleh karena itu, uji sapuan frekuensi osilasi dapat digunakan sebagai pengganti uji viskometri untuk membuat kurva aliran. Suhu juga memengaruhi sifat viskoelastik polimer sehingga dengan prinsip superposisi waktu-suhu, perilaku reologi dapat diprediksi pada rentang frekuensi yang sangat luas dengan menggunakan pengujian yang jauh lebih singkat.