22.06.2023 by Milena Riedl

Le basi della reometria capillare

La reologia studia la deformazione e il flusso dei fluidi. Tradizionalmente, i reometri capillari sono stati utilizzati per misurare la viscosità di taglio e l'elasticità dei materiali viscosi ad alte velocità di taglio. Scoprite perché avete bisogno di un reometro capillare e quali dati potete ottenere.

"La reologia studia la deformazione e il flusso dei fluidi. [...] Tradizionalmente, i reometri capillari sono stati utilizzati per misurare la viscosità di taglio e l'elasticità dei materiali viscosi ad alte velocità di taglio. [...] L'interesse per le alte velocità di taglio deriva dalla modalità di deformazione che un materiale subisce in processi quali l'estrusione, il soffiaggio di pellicole e lo stampaggio a iniezione." [1]

Le risposte di un materiale alla deformazione o all'ambiente stesso avvengono su scale temporali diverse. Alcuni processi richiedono anni, come l'invecchiamento fisico e il creep. Altri processi avvengono in pochi secondi o millisecondi, ad esempio il comportamento all'urto o il taglio e l'allungamento durante la lavorazione come l'estrusione, lo stampaggio a soffio e lo stampaggio a iniezione.

Più rapida è la risposta del materiale, più veloce deve essere la velocità di deformazione. Questo è anche il motivo per cui i reometri rotazionali non sono adatti a questi processi. Il loro principio di funzionamento è progettato per rilevare i cambiamenti a livello molecolare fino a deformazioni basse o medium. Tuttavia, i reometri capillari coprono l'altro lato dello spettro: processi che avvengono su una scala temporale veloce.

Figura 1: Influenze sul riempimento dello stampo

Perché serve la reometria capillare?

In un processo di stampaggio a iniezione, ad esempio, la viscosità del materiale e la geometria del canale e del pezzo stesso influenzano il riempimento dello stampo. A loro volta, questi due parametri influenzano le velocità di taglio, la pressione di riempimento, la lunghezza del flusso e persino la forza di serraggio necessaria per mantenere chiuso lo stampo.

Quali dati si possono ottenere con un reometro capillare?

La viscosità può essere considerata come la fluidità di un liquido, ovvero la sua resistenza al flusso. La viscosità, η, è espressa come il rapporto tra lo sforzo di taglio (forza per unità di area) e la velocità di taglio (variazione della velocità di deformazione di taglio). [2]

  • Comportamento ad alta velocità di taglio

La velocità di taglio è la velocità con cui un fluido viene deformato o tagliato durante il flusso. In termini più tecnici, è la velocità con cui gli strati di fluido si spostano gli uni sugli altri. Se si strofina rapidamente uno strato molto sottile di unguento, crema o lozione sulla pelle, ad esempio, la velocità di taglio è molto più elevata rispetto a quando il materiale viene spremuto lentamente dal suo tubetto. [3]

  • Proprietà estensionali

Il flusso estensionale si verifica quando il materiale non è a contatto con i confini solidi, come nel caso della trafilatura di filamenti, fibre, film, fogli o del gonfiaggio di bolle. Anche i flussi convergenti all'ingresso degli stampi sono di natura estensionale. [4] Le proprietà estensionali comprendono il tasso di deformazione estensionale e la viscosità estensionale.

La frattura daTemperature 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 è definita come il fenomeno causato da un'eccessiva sollecitazione di taglio esercitata sulla resina fusa che porta alla formazione di rugosità nell'estruso. [Si tratta di un effetto superficiale indesiderato che può anche influire sulle proprietà del pezzo. Poiché si verifica in presenza di elevate sollecitazioni di taglio per il materiale in esame, può essere ridotto o eliminato riducendo la produttività.

Il RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento da sforzo è una diminuzione dello sforzo in funzione del tempo sotto una deformazione costante. Questo comportamento caratteristico del polimero viene studiato applicando una quantità fissa di deformazione a un provino e misurando il carico necessario per mantenerla in funzione del tempo. [6]

La resistenza allaTemperature 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 può essere descritta come la resistenza del polimero fuso all'allungamento. La resistenza alla fusione di un materiale è legata agli intrecci delle catene molecolari del polimero e alla sua resistenza a districarsi sotto sforzo. Le proprietà del polimero che influenzano la resistenza alla districabilità sono il peso molecolare, la distribuzione del peso molecolare (MWD) e la ramificazione molecolare. All'aumentare di ciascuna proprietà, la resistenza alla fusione migliora a basse velocità di taglio. [Si tratta di una proprietà importante per il successo dell'estrusione di materiali plastici.

  • Rigonfiamento della matrice

Il rigonfiamento della matrice si verifica quando il materiale fuoriesce dalla matrice capillare. Un modo per spiegare il rigonfiamento della matrice è considerare la capacità del polimero fuso di ricordare la sua storia di flusso. L'idea è quella di immaginare un elemento fluido che si sposta dal serbatoio alla filiera capillare come un cilindro corto e grasso che viene schiacciato in un cilindro lungo e sottile. Se il tempo di permanenza dell'elemento fluido nello stampo è inferiore al tempo della sua memoria di dissolvenza (tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento), cercherà di tornare alla sua forma originale e produrrà l'effetto di rigonfiamento dello stampo. [8]

  • comportamento del pvT e compressibilità

il pvT studia la relazione tra pressione e volume in un materiale. Fornisce inoltre un'indicazione della comprimibilità di un polimero fuso. Poiché i polimeri vengono lavorati a temperature e pressioni elevate, la relazione tra pressione, volume e temperatura è di grande importanza.

A cosa servono i dati di un reometro capillare?

Altri motivi per cui abbiamo bisogno dei dati del reometro capillare: Misurare il comportamento del flusso di un materiale per il controllo e la garanzia della qualità, effettuare studi sulla lavorazione (dipendenza dal taglio) o ottenere i parametri del modello di input per le simulazioni di flusso. Possiamo studiare le formulazioni per valutare l'effetto di riempitivi, coadiuvanti tecnologici e stimolatori di produzione.

La prossima settimana illustreremo il principio di funzionamento di un reometro capillare, spiegheremo la curva di flusso della viscosità caratteristica e sottolineeremo l'importanza delle correzioni necessarie.

Fonti:

[1] Dao, T.T., Ye, A.X., Shaito, A.A., Roye, N., Hedman, K. (2009): Reometria capillare: Analysis of Low-Viscosity Fluids, and Viscous Liquids and Melts at High Shear Rates; recuperato da: https://www.americanlaboratory.com/913-Technical-Articles/557-Capillary-Rheometry-Analysis-of-Low-Viscosity-Fluids-and-Viscous-Liquids-and-Melts-at-High-Shear-Rates/

[2] https://www.dc.engr.scu.edu/cmdoc/dg_doc/develop/process/physics/b3200002.htm

[3] Moonay, D. (2017): Cos'è la velocità di taglio e perché è importante?; recuperato da: https://www.labcompare.com/10-Featured-Articles/338534-What-is-Shear-Rate-and-Why-is-it-Important/

[4] Shenoy, A.V. (1999): Rheology of Filled Polymer Systems; recuperato da: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-015-9213-0_9

[5] Ebnesajjad, S. (2017): Fluoroplastici; recuperato da: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/melt-fracture

[6] Ashter, S.A. (2014): Thermoforming of Single and Multilayer Laminates; recuperato da: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/stress-relaxation

[7] Frankland, J. (2013): Estrusione: Where's the Data? L'importanza della forza di fusione nell'estrusione; recuperato da: https://www.ptonline.com/articles/what-about-melt-strength

[8] Koopmans, R.J. (1999): Polypropylene; retrieved from: http s://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-011-4421-6_22