Reologi Kapiler Termoplastik: Tinjauan Umum

Termoplastik dapat dikarakterisasi menggunakan Kinexus Rotational Rheometer jika diperlukan untuk mendapatkan informasi mengenai struktur molekul dan bagaimana hal ini memengaruhi karakteristik pemrosesan. Hal ini dapat diselidiki lebih lanjut dengan Rosand Capillary Rheometer. Baca lebih lanjut di bawah ini!

Bagaimana cara kerja rheometer kapiler?

Rheometer kapiler tekanan tinggi memiliki laras yang dikontrol suhu yang menggabungkan satu atau beberapa lubang presisi yang dilengkapi dengan cetakan kapiler di pintu keluar. Transduser tekanan leleh dipasang tepat di atas cetakan untuk merekam penurunan tekanan saat lelehan polimer diekstrusi melalui cetakan dengan laju aliran yang diprogram. Dengan menggunakan cetakan kapiler dan cetakan "lubang" atau "panjang nol", viskositas geser dan ekstensional lelehan polimer dapat ditentukan secara simultan terhadap laju geser dan ekstensional.

Aksesori tambahan tersedia untuk merekam die swell dengan menggunakan pengukur pemindaian laser dan/atau, kekuatan lelehan ekstrusi, dengan melewatkan untaian polimer melalui serangkaian rol nip yang dikontrol kecepatannya dan merekam gaya (tegangan lelehan) sebagai fungsi kecepatan pengangkutan [1].

Ingin melihat demonstrasi langsung dari Rosand Capillary Rheometer? Tonton video kami di sini!

Rheometer kapiler = Laju geser yang lebih tinggi

Umumnya, rheometer kapiler digunakan untuk mengukur sifat lelehan pada laju geser yang lebih tinggi dibandingkan dengan rheometer rotasi, yang memungkinkan penentuan perilaku aliran dalam kondisi pemrosesan yang khas. Pertimbangan yang sangat penting adalah kemampuan untuk mengukur sifat ekstensional (pemanjangan) pada tingkat ekstensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan teknik lain, dan yang lebih penting lagi, pada tingkat ekstensi yang ditemui pada jalur pemrosesan.

Gambar 1 & 2 menunjukkan data geser dan ekstensi, yang mengilustrasikan poin penting dan sering diabaikan: Dua polimer mungkin memiliki perilaku aliran geser yang hampir sama, tetapi mungkin menunjukkan sifat ekstensi yang sangat berbeda. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, banyak proses polimer (pemintalan serat, blow moulding) pada dasarnya adalah proses ekstensional sehingga penentuan viskositas ekstensional lebih penting daripada mengukur viskositas geser [1].

Memeriksa perilaku pemrosesan termoplastik

Selain untuk menentukan sifat reologi bahan, rheometer kapiler sering digunakan untuk memeriksa perilaku pemrosesan: Dua contohnya adalah penentuan daerah ketidakstabilan aliran dan pengukuran slip dinding atau tegangan kritis.

Ketidakstabilan aliran

Ketidakstabilan aliran umumnya disebabkan oleh tegangan tarik ketika lelehan mengalir dari penampang large ke penampang yang lebih kecil. Jika tegangan tarik menjadi cukup large besar, lelehan akan patah. Efek fraktur lelehan menjadi kurang terlihat saat panjang cetakan bertambah dan suhu cetakan meningkat. Bertambahnya panjang die meredam efek perubahan penampang di pintu masuk die, sementara peningkatan suhu mengurangi viskositas dan tegangan pada laju geser yang sama. Dalam rheometer kapiler, wilayah fraktur lelehan terungkap sebagai osilasi reguler dari sinyal tekanan lelehan seperti yang ditunjukkan di bawah ini. Lelehan secara efektif mematahkan dan kemudian membentuk kembali, dengan efek bahwa elemen yang berdekatan telah mengalami sejarah ekstensi yang berbeda sehingga akan membengkak secara berbeda saat keluar dari cetakan [1].

Kondisi tongkat

Asumsi mendasar ketika menghitung sifat reologi dengan rheometer kapiler adalah bahwa material pada dinding cetakan kapiler tidak bergerak - inilah yang disebut dengan kondisi tongkat. Dalam praktiknya, lelehan polimer menyimpang dari situasi ini pada tegangan kritis dan material mengalir sebagai kombinasi aliran geser yang ditumpangkan pada aliran sumbat. Wall slip dan penentuan tegangan kritis dapat dianalisis dalam rheometer kapiler dengan pengukuran kurva aliran pada tekanan ekstrusi konstan (yaitu tegangan geser konstan) dan pada suhu yang sama untuk setidaknya tiga set cetakan kapiler dengan rasio panjang dan diameter yang sama, tetapi dengan radius lubang cetakan yang berbeda (pendekatan Mooney). Menggunakan Persamaan 1 membantu untuk mengungkap apakah bahan polimer cenderung menunjukkan perilaku slip selama pemrosesan.

Untuk material yang tidak mengalami wall slip (Gambar 4), profil tegangan geser versus laju geser yang identik akan dihasilkan. Dalam kasus terjadinya wall slip, (pada tegangan geser konstan) laju geser akan menurun seiring dengan bertambahnya diameter die (lihat Gbr. 4). Dengan menggunakan pendekatan Mooney pada data aliran memungkinkan penentuan kecepatan slip, yang sama dengan kemiringan / 4 dan meningkat seiring dengan peningkatan tegangan geser(o) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Selain itu, informasi mengenai tegangan kritis(o c) dapat diperoleh (kemiringan>0). Parameter-parameter ini sering kali dibutuhkan oleh paket perangkat lunak dinamika fluida komputasi bersama dengan data viskositas geser dan ekstensional untuk memprediksi aliran lelehan pada cetakan dan profil ekstrusi.

Kesimpulan

Reologi lelehan polimer adalah subjek kompleks yang membutuhkan desain eksperimental yang cermat untuk mendapatkan informasi yang diperlukan untuk memenuhi persyaratan penyelidik.

Rheometer kapiler memperluas rentang laju geser yang dapat dicapai di laboratorium, di luar yang tersedia dalam instrumen rotasi dan memungkinkan sifat aliran diukur dalam kondisi pemrosesan yang khas. Selain itu, kemampuan untuk dengan mudah menentukan sifat geser dan ekstensi dalam kondisi aplikasi memberikan informasi yang sangat penting bagi produsen dan pemroses polimer yang sangat penting untuk keberhasilan penggunaan lelehan polimer. Terakhir, rheometer kapiler memungkinkan masalah pemrosesan diselidiki dalam lingkungan yang terkendali tanpa perlu menghentikan produksi di lantai pabrik.

Buku Aplikasi Kapiler baru tersedia!

Manfaatkan juga buku aplikasi kami untuk reologi rotasi dan kapiler dan pelajari bagaimana sifat aliran produk dapat ditentukan oleh analisis reologi mereka.

Buklet kapiler yang baru memberikan pengenalan terhadap teknologi dan bidang studi, membahas contoh-contoh aplikasi, menunjukkan cara mengkarakterisasi sifat material dasar dan memberikan pengukuran dengan menggunakan teknik-teknik canggih.

Kedua buku tersebut dapat diunduh secara gratis dan dapat diunduh di sini.

Sumber

[1] Pengujian Rheologi Polimer dan Penentuan Properti Menggunakan Rotational Rheometer dan Capillary Extrusion Rheometer (azom.com)

[2] Literatur: Prinsip-prinsip Reologi, Pengukuran, dan Aplikasi, Christopher W. Macosko, ISBN: 1-56081-579-5.

Terima kasih kepada Dr. Bob Marsh (mantan karyawan Malvern Panalytical) sebagai penulis asli artikel ini!