はじめに
レオロジー測定の対象となるせん断速度は、用途によって異なります。噴霧のような高速プロセスでは、材料がオリフィスから急速に押し出されるため、最大100,000 s-1という高いせん断速度が必要となります。逆に、粘度がはるかに高いポリマーの押し出しは、一般的に1000倍以上低い速度で行われる。さらに低いせん断速度は、レベリングのような非常に低速のプロセスを表現するのに使われる。
レオメーターバージョン
レオメータの選択は、要求されるせん断速度によって異なります。回転型レオメータであるKinexusは、低せん断速度範囲での測定に適した装置ですが、最大1,000,000 s-1までの高せん断速度を得るには、Rosandキャピラリレオメータを使用します。
以下では、ポリプロピレン材料の粘度曲線を約70年間にわたって測定します。これには、NETZSCH Kinexus回転型レオメーターとNETZSCH Rosandキャピラリレオメーターの両方を使用しました(表1の測定条件を参照)。
表1：測定条件
| 装置 | キネクサス |
|---|---|
| 試料 | ポリプロピレン |
| 形状 | プレートプレート、直径：25 mm |
| 温度 | 190°C |
| 測定ギャップ | 1 mm |
| 測定周波数 | 10-3～10Hz |
| 応力 | 1,000 Pa |
| 装置 | ロザンド |
|---|---|
| 温度 | 190°C |
| キャピラリーダイ | 直径：1 mmおよび0.5 mm、長さ：16 mm |
| ゼロダイ | 直径：1 mmおよび0.5 mm、長さ：0.25 mm |
| 圧力変換器キャピラリー側 | 10,000 Psi (689.5 bar) |
| 圧力変換器ゼロ側 | 1,500 Psi (103.4 bar) |
測定条件に関する備考
- Kinexus 回転型レオメーター
回転測定ではなく、周波数スイープを行いました。ここでは、非充填ポリマーの場合、複素せん断粘度対周波数は、せん断粘度対せん断速度と同じ値を与えるというCox-Merz則が使用されました。振動測定は回転測定に比べて、材料が静止した状態で測定されるという利点がある。このため、ポリマーは遠心力を受けず、高せん断速度での回転測定で起こりうるようなギャップからのはみ出しは起こりません。このトピックについては、アプリケーションノート236および243 [1, 2]を参照してください。 - ロザンド キャピラリレオメータ
直径1 mmのダイを使用すると最大10,000 s-1のせん断速度が得られますが、直径0.5 mmのダイを使用するとより高いせん断速度が得られます。
測定結果
図1は、回転粘度計とキャピラリーレオメーターで測定したポリプロピレンの複合粘度曲線を示しています。低せん断速度範囲では、材料はニュートン流体挙動を示します：せん断粘度はせん断速度に依存しません。このゼロせん断プラトーでは、せん断粘度は4400Pa・sである。
より高いせん断速度では、ポリマーはせん断減粘する：せん断粘度は、せん断速度の増加とともに減少する。この範囲では、加えられるせん断応力はポリマー鎖をばらばらにするのに十分高い。この範囲では、かかるせん断応力は、ポリマー鎖をばらばらにするのに十分な高さであり、ポリマー鎖は互いに滑り、流動を促進し、せん断粘度の低下を説明する。
結論
NETZSCH 、回転レオメーターとキャピラリレオメーターを組み合わせた独自の測定を行うことで、非常に広いせん断速度範囲を実現できます。例えば、ポリマーの場合、その挙動はせん断速度に大きく依存するため、このことは重要です。