Introduzione
Il polipropilene (PP), in quanto materiale plastico di uso generale di fondamentale importanza, è ampiamente impiegato nei settori automobilistico, dell’imballaggio, elettronico, tessile e in altri settori industriali grazie alle sue eccellenti proprietà meccaniche, alla stabilità chimica e alle prestazioni di lavorazione. Tuttavia, al fine di ottimizzare ulteriormente la lavorazione dei materiali in PP e migliorare la qualità e le prestazioni del prodotto, è di grande importanza pratica condurre indagini approfondite sul comportamento reologico del PP.
La viscosità, in quanto indicatore critico del comportamento di scorrimento dei polimeri, è strettamente correlata alla lavorazione del materiale. Nei diversi processi di produzione, il PP deve scorrere e assumere forma entro specifici intervalli di temperatura. Pertanto, una comprensione precisa di come la viscosità del PP vari con la temperatura consente agli ingegneri di controllare con precisione i parametri di lavorazione, garantendo una fluidità e una qualità di stampaggio ottimali del PP durante la produzione.
Il reometro capillare, uno strumento di analisi reologica classic, è ampiamente utilizzato nella ricerca sui polimeri grazie alla sua capacità di misurare le proprietà reologiche dei materiali in un ampio intervallo di velocità di taglio e temperature. In questo studio è stato impiegato un reometro capillare Rosand RH10 ( NETZSCH ) (Figura 1) per studiare sistematicamente gli effetti della temperatura e della velocità di taglio sulla viscosità di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e sull’energia di attivazione del flusso viscoso del PP. I risultati forniscono una base teorica per l’ottimizzazione dei parametri di lavorazione del PP, migliorando in ultima analisi la qualità e le prestazioni dei prodotti in PP.
Condizioni di misurazione e metodo di prova
Le condizioni di misurazione sono descritte in dettaglio nella Tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misurazione
| Strumento | NETZSCH Rosand RH10 |
| Campioni | PP |
Pressione trasduttore | 10.000 psi |
| Specifiche dello stampo | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Temperatura di prova | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Intervallo di velocità di taglio | da 10 a 10.000 s⁻¹ |
Dopo aver installato le matrici sotto il cilindro sinistro e aver atteso che la temperatura si stabilizzasse, sono stati aggiunti lentamente nel cilindro granuli di PP, che sono stati sottoposti a una pressione di 1 MPa e quindi preriscaldati a temperatura costante per 5 minuti. Successivamente, lo strumento ha eseguito automaticamente la prova, applicando la velocità di taglio e registrando la pressione.
Risultati delle misurazioni e discussione
La Figura 2 mostra le curve della viscosità di taglio in funzione della velocità di taglio dei campioni di PP a diverse temperature. Come si può osservare dalla Figura 2, la viscosità di taglio dei campioni di PP in tutte le condizioni di temperatura diminuisce gradualmente all’aumentare della velocità di taglio, dimostrando un tipico comportamento di fluidificazione sotto sforzo. Questo fenomeno si verifica perché il districamento delle catene macromolecolari del PP si intensifica con velocità di taglio più elevate, portando a un rapido calo della viscosità di taglio. Tuttavia, con un ulteriore aumento della velocità di taglio, l’efficacia della sollecitazione di taglio nel favorire il disintreccio delle macromolecole diminuisce, con conseguente rallentamento della tendenza alla diminuzione della viscosità di taglio.
Inoltre, la viscosità di taglio dei campioni di PP diminuisce significativamente all’aumentare della temperatura a parità di velocità di taglio. Ciò è dovuto al fatto che, con l’aumentare della temperatura, il volume libero del PP fuso aumenta, il che accresce la mobilità dei segmenti di catena e riduce la forza di interazione intermolecolare, migliorando così la scorrevolezza del PP. Tuttavia, la differenza nei valori di viscosità di taglio a diverse temperature diminuisce notevolmente quando la velocità di taglio supera i 500 s-1. In particolare, quando la velocità di taglio viene aumentata a 5000 s⁻¹, le curve di viscosità di taglio alle diverse temperature tendono a sovrapporsi e la tendenza alla diminuzione della viscosità di taglio rallenta. Ciò indica che, al di là di una velocità di taglio critica, la sensibilità della viscosità di taglio del PP alla temperatura diminuisce, suggerendo un intervallo di temperatura di lavorazione più ampio per il PP all’interno di questo intervallo di velocità di taglio.
L’energia di attivazione del flusso viscoso (Eη) è un indicatore della sensibilità della viscosità di taglio apparente di un polimero fuso alla temperatura. Un valore più elevato di Eη indica una maggiore sensibilità della viscosità del fuso alle variazioni di temperatura, mentre un valore più basso suggerisce una minore dipendenza dalla temperatura. Eη può essere calcolata utilizzando l’equazione di Arrhenius (1):
dove ηa è la viscosità della Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione; Eη è l'energia di attivazione del flusso viscoso; R è la costante dei gas (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A è una costante indipendente dalla temperatura.
Sulla base dei dati rilevati nella Figura 2, sono stati tracciati e adattati i grafici di lgηa in funzione di 1/T. Di conseguenza, le curve che descrivono la relazione lgηa ~ 1/T a diverse velocità di taglio sono riportate nella Figura 3, con i valori specifici elencati nella Tabella 2. Come mostrato, Eη del PP a varie velocità di taglio può essere determinato dalle pendenze delle curve lineari adattate nella Figura 3, con i valori specifici elencati nella Tabella 2. Eη del PP diminuisce all’aumentare della velocità di taglio nell’intervallo di temperatura testato. Ciò indica che la viscosità di taglio del PP fuso è meno sensibile alla temperatura a velocità di taglio elevate. Dal punto di vista della dinamica molecolare, questo fenomeno può essere spiegato dal fatto che le forze di taglio esterne interrompono l’intreccio tra le molecole di PP, riducendo così la sensibilità della viscosità di taglio alla temperatura. Ciò si riflette nelle curve di viscosità (Figura 2), dove le curve a diverse temperature si sovrappongono quasi completamente a velocità di taglio elevate. Pertanto, l’aumento della temperatura risulta meno efficace nel ridurre la viscosità di taglio del PP fuso a velocità di taglio elevate. Al contrario, a basse velocità di taglio, l’aumento della temperatura può migliorare significativamente la scorrevolezza del PP, riducendo così il consumo energetico durante la lavorazione.
Tabella 2:Eη del PP a diverse velocità di taglio
| Velocità di taglio (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10.000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Conclusione
In questa nota applicativa sono state studiate le proprietà reologiche del PP a diverse temperature e velocità di taglio utilizzando un reometro capillare Rosand RH10. A velocità di taglio relativamente basse (da 10 a 500 s⁻¹), la viscosità di taglio del PP diminuisce in modo significativo all’aumentare della velocità di taglio, mentre a velocità di taglio elevate (da 500 a 10.000 s⁻¹), la riduzione della viscosità di taglio diventa più graduale. Inoltre, Eη del PP diminuisce all’aumentare della velocità di taglio, indicando che velocità di taglio più elevate riducono effettivamente la sensibilità alla temperatura della viscosità allo stato fuso del PP.