ポリマーのレオロジーと分子量

はじめに

押出成形、射出成形、圧縮成形はすべて、材料の粘度、すなわち流動抵抗に依存するプロセスです。しかし、粘度は加工だけでなく、最終製品の機械的特性にも影響します。特に、分子量と粘度は密接な関係にあります。

以下では、Kinexus回転型レオメータの振動測定を使用して、3つの異なるPEEK材料を分子質量に従って分類します。

測定条件

周波数測定は、PEEK 1、PEEK 2、およびPEEK 3と指定された3つの材料で行われました。 測定が線形粘弾性範囲（LVER）内で行われるように、試料に加えられるひずみ（または応力）は、試料の構造を破壊しない程度に低くなければなりません。振幅掃引は、LVER限界を決定するための予備測定として機能します。表1に振幅掃引と周波数掃引の条件を示します。

表1：振動測定の条件

振幅掃引：LVER （線形粘弾性範囲）の決定

図1は、PEEK 1の振幅掃引から得られた曲線をせん断ひずみの関数として示したものです。約30%までのせん断ひずみ（約10,000 Paのせん断応力に相当）では、弾性せん断弾性率（G´）は一定であり、この材料がLVERにあることを示唆しています。せん断ひずみが大きくなるとG´が低下するのは、試料の構造が破壊されるためです。以下の周波数掃引では、1,000 Paのせん断応力が選択されている。

周波数スイープ

図2は、PEEK材1の周波数掃引における位相角に加えて、弾性せん断弾性率と損失せん断弾性率の曲線を示している。低周波の方向では、損失せん断弾性率が弾性せん断弾性率を上回り、その結果、位相角は45℃より高くなっています。G'曲線とG "曲線は15Hzの周波数でクロスオーバーする。ここで材料は、ポリマー鎖がばらばらになる時間がある液体支配状態（低周波数）から、鎖が絡み合ってネットワークのように振る舞う固体支配状態（高周波数）に転移する。

いくつかの定義

G*:複素せん断弾性率（G*）
G'：貯蔵せん断弾性率（G* に対する弾性寄与率）
G"：損失せん断弾性率（G* に対する粘性弾性率の寄与）
δ：位相角

位相角δ（δ = G"/G'）は、材料の粘性と弾性特性の相対的な尺度です。完全弾性材料の0°から完全粘性材料の90°までの範囲である。

図3および図4は、同じ条件下でのPEEK試料2および3の周波数掃引を示している。両試料とも、得られた曲線は非常によく似ており、最初の試料とは異なっています。完全な測定の間、粘断弾性率（G"）は弾性せん断弾性率（G'）を支配し、その結果位相角（δ）は45°より高くなります。低周波数方向では、位相角は増加し、ほぼ最大値の90°に達する。言い換えれば、低周波数（または長時間のスケール）では、試料は弾性特性を持たないほぼ純粋な粘性流体のように振る舞う。測定された周波数範囲ではクロスオーバーは検出されなかったが、周波数が高くなるにつれてG´曲線とG "曲線は互いに近づく傾向があるため、より高い周波数ではクロスオーバーが存在する可能性が高い。ポリマーの分子量はクロスオーバーの位置に関係している：クロスオーバーの周波数が低いほど、分子量は高くなる。

この場合、PEEK 1はPEEK 2およびPEEK 3よりも分子量が大きく、PEEK 2とPEEK 3では弾性せん断弾性率が異なる。測定された全周波数範囲において、PEEK 2の方がPEEK 3よりも低い（0.01Hzで10分の1以上の差）。PEEK 2の損失せん断弾性率もPEEK 3より低く、この結果PEEK 3の剛性が高くなる。

ゼロ粘度プラトーから分子量へ

図5は3つの試料の複素粘度(η)を比較したものである。PEEK 1とPEEK 2の曲線はほぼ平行で、どちらも低周波数域でニュートン流体プラトーに達し、高周波数域でせん断減粘挙動を示している。ニュートン流体プラトーのレベルは、ポリマーの分子量に関係している：分子量が高いほど、ゼロ粘度は高くなる。[1]

これとは対照的に、試料1の複素粘度（η*）は周波数の低下とともに増加し続け、ニュートン流体は周波数0.01 Hzではまだ到達していません。さらに、測定された全周波数範囲において、このPEEK材料は、0.01 Hzで試料2と1.5十年以上の差があり、より高い複素粘度を示している。

3つの試料のせん断粘度プラトーのレベルから、PEEK 1は分子量が高く、次いでPEEK 2とPEEK 3であると結論づけることができる。 これはG´曲線とG "曲線で得られた結果を裏付けるものである。

結論

Kinexus回転型レオメータを用いて、3種類のPEEK試料のレオロジー挙動を評価した。これらの試料は、複素粘度のゼロせん断粘度プラトーの値が異なっていた。これは、材料の分子量の違いによるものである。