Introduzione
L'estrusione, lo stampaggio a iniezione e lo stampaggio a compressione sono tutti processi che dipendono dalla viscosità di un materiale, cioè dalla sua resistenza al flusso. Tuttavia, la viscosità non influenza solo la lavorazione, ma anche le caratteristiche meccaniche del prodotto finale. In particolare, la massa molecolare e la viscosità sono strettamente collegate.
Di seguito, tre diversi materiali PEEK sono classificati in base alla loro massa molecolare, utilizzando misure di oscillazione su un reometro rotazionale Kinexus.
Condizioni di misura
Le misure di frequenza sono state eseguite su tre materiali, denominati PEEK 1, PEEK 2 e PEEK 3. La deformazione (o sollecitazione) applicata al campione deve essere sufficientemente bassa da non distruggere la struttura del campione, in modo che la misura venga eseguita entro l'intervallo lineare-viscoelastico (Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER). Uno sweep di ampiezza serve come misura preliminare per determinare il limite Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER. La Tabella 1 illustra le condizioni degli sweep di ampiezza e di frequenza.
Tabella 1: Condizioni delle misure di oscillazione
| Sweep di ampiezza | Sweep di frequenza | |
|---|---|---|
| Dispositivo | Kinexus ultra+ con camera riscaldata elettricamente | |
| Geometria | PP25 (piastra, diametro: 25 mm) | |
| Spazio | 500 μm | 500 μm |
| Temperatura | 360°C | 360°C |
| Deformazione da taglio | da 1 a 100 | - |
| Sollecitazione di taglio | - | 1.000 Pa (PEEK 1), 500 Pa (PEEK 2 e 3) |
| Frequenza | 1 Hz | da 10 a 0,01 Hz |
| Atmosfera | Azoto (1 l/min) | |
Sweep di ampiezza: Determinazione dell'LVER (Linear Visco-Elastic Range)
La Figura 1 mostra le curve risultanti dallo sweep di ampiezza sul PEEK 1 in funzione della deformazione di taglio. Per deformazioni di taglio fino a circa il 30% - corrispondenti a uno sforzo di taglio di circa 10.000 Pa - il Modulo elasticoIl modulo complesso (componente elastica), modulo di conservazione o G', è la parte "reale" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente elastica indica la risposta del campione in fase di misurazione. modulo elastico di taglio G´ rimane costante, suggerendo che il materiale si trova in Regione viscoelastica lineare (LVER)Nell'LVER, le sollecitazioni applicate non sono sufficienti a causare la rottura strutturale (snervamento) della struttura e quindi si misurano importanti proprietà microstrutturali.LVER. La diminuzione di G´ per sforzi di taglio più elevati è dovuta alla rottura della struttura del campione. Per il seguente sweep di frequenza, è stata utilizzata una sollecitazione di taglio di 1.000 Pa select.
Sweep di frequenza
La Figura 2 illustra le curve dei moduli di taglio elastici e di perdita, oltre all'angolo di fase, durante una scansione in frequenza del materiale PEEK 1. In direzione delle frequenze più basse, il modulo di taglio a perdita domina il modulo di taglio elastico, con un conseguente angolo di fase superiore a 45°C. Le curve G' e G" si incrociano alla frequenza di 15 Hz. Qui il materiale passa da uno stato dominato dal liquido, in cui le catene polimeriche hanno il tempo di districarsi (basse frequenze), a uno stato dominato dal solido, in cui le catene sono incastrate e si comportano come una rete (alte frequenze).
Alcune definizioni
G*: Modulo di taglio complesso
G': Modulo di taglio di accumulo, contributo elastico a G*
G": Modulo di perdita al taglio, contributo viscoso a G*
δ: Angolo di fase
L'angolo di fase δ (δ = G"/G') è una misura relativa delle proprietà viscose ed elastiche di un materiale. Va da 0° per un materiale completamente elastico a 90° per un materiale completamente viscoso.
Le figure 3 e 4 mostrano lo sweep di frequenza dei campioni di PEEK 2 e 3 nelle stesse condizioni. Le curve risultanti di entrambi i materiali sono molto simili e differiscono da quelle del primo campione. Durante la misurazione completa, il modulo di taglio viscoso (G") domina il modulo di taglio elastico (G'), risultando in un angolo di fase (δ) superiore a 45°. In direzione delle frequenze più basse, l'angolo di fase aumenta fino a raggiungere quasi il valore massimo di 90°. In altre parole, alle basse frequenze (o alle scale lunghe), il campione si comporta come un fluido quasi puramente viscoso senza alcuna proprietà elastica. Non è stato rilevato alcun crossover nella gamma di frequenze misurate, tuttavia è probabile che esista a frequenze più elevate perché le curve G´ e G" tendono l'una verso l'altra con l'aumentare delle frequenze. La massa molecolare dei polimeri è correlata alla posizione del crossover: Più bassa è la frequenza dell'incrocio, più alta è la massa molecolare.
In questo caso, il PEEK 1 ha una massa molecolare più elevata rispetto al PEEK 2 e al PEEK 3. Il PEEK 2 e il PEEK 3 differiscono nei valori del modulo di taglio elastico. È più basso per il PEEK 2 che per il PEEK 3 nell'intera gamma di frequenze misurate (più di una decade di differenza a 0,01 Hz). Anche il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita al taglio del PEEK 2 è inferiore a quello del PEEK 3. Ciò si traduce in una maggiore rigidità per il PEEK 3.
Dal plateau della viscosità a taglio zero alla massa molecolare
La Figura 5 confronta la viscosità complessa (η) dei tre campioni. Le curve del PEEK 1 e del PEEK 2 sono quasi parallele, entrambe raggiungono un plateau newtoniano nell'intervallo delle basse frequenze e mostrano un comportamento di Assottigliamento a taglioIl tipo più comune di comportamento non newtoniano è l'assottigliamento al taglio o flusso pseudoplastico, in cui la viscosità del fluido diminuisce all'aumentare del taglio.assottigliamento al taglio a frequenze più elevate. Il livello del plateau newtoniano è legato alla massa molecolare del polimero: Più alta è la massa molecolare, più alta è la viscosità zero. [1]
Al contrario, la viscosità complessa (η*) del campione 1 continua ad aumentare al diminuire della frequenza e il plateau newtoniano non viene ancora raggiunto alla frequenza di 0,01 Hz. Inoltre, per l'intera gamma di frequenze misurate, questo materiale in PEEK mostra una viscosità complessa più elevata, con una differenza di oltre 1,5 decadi rispetto al campione 2 a 0,01 Hz.
Dal livello di plateau della viscosità di taglio di tutti e tre i campioni, si può concludere che il PEEK 1 ha una massa molecolare maggiore, seguito dal PEEK 2 e dal PEEK 3. Ciò conferma i risultati ottenuti dalle curve G´ e G".
Conclusione
Il comportamento reologico di tre campioni di PEEK è stato caratterizzato utilizzando il reometro rotazionale Kinexus. Essi differiscono per il valore del plateau della viscosità complessa a taglio zero. Ciò è dovuto alle differenze nelle masse molecolari dei materiali.