熱可塑性プラスチックの毛管レオロジー：概要

熱可塑性プラスチックは、分子構造とそれが加工特性に与える影響に関する情報を得る必要がある場合、キネクサス回転型レオメータを使用して特性評価を行うことができます。さらに、ロザンドキャピラリレオメータを使用すると、この情報を調べることができます。詳細は以下をご覧ください！

キャピラリレオメータはどのように機能するのですか？

高圧キャピラリレオメータは、出口にキャピラリダイを取り付けた1つまたは複数の精密ボアを組み込んだ温度制御バレルを備えています。溶融圧力変換器はダイのすぐ上に取り付けられ、ポリマー溶融物がプログラムされた流速でダイを通って押し出される際の圧力降下を記録します。キャピラリーダイと "オリフィス "または "ゼロレングス "ダイを使用することにより、ポリマーメルトのせん断粘度と伸長粘度を、せん断速度と伸長速度に対して同時に測定することができる。

レーザースキャンゲージを使用してダイスウェルを記録したり、速度制御された一連のニップローラーにポリマーのストランドを通過させ、引き取り速度の関数として力 (メルトテンション) を記録することで、押出メルト強度を記録するための追加アクセサリーを利用できます [1]。

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キャピラリーレオメーター = 高いせん断速度

一般に、キャピラリレオメータは回転型レオメータに比べて高いせん断速度でメルト特性を測定するために使用され、典型的な加工条件下での流動挙動を決定することができます。特に重要な点は、他の技術に比べて高い伸長速度で伸長特性を測定できることであり、さらに重要なことは、加工ラインで遭遇する伸長速度で測定できることです。

図1と2は、せん断と伸長の両方のデータを示していますが、これは重要でありながら軽視されがちな点を示しています：二つのポリマーがほとんど同じせん断流動挙動を示すことがあっても、伸長特性はかなり異なることがあります。前述のように、多くのポリマープロセス（繊維紡糸、ブロー成形）は本質的に伸長プロセスであるため、伸長粘度の測定はせん断粘度の測定よりも重要です[1]。

熱可塑性プラスチックの加工挙動を調べる

キャピラリレオメータは、材料のレオロジー特性の測定に加え、加工挙動の検査にもよく使用されます：2つの例として、流動不安定領域の特定、ウォールスリップまたは臨界応力の測定などが挙げられます。

流れの不安定性

流動不安定は一般に、溶融物がlarge 断面からより小さな断面へと流れる際の引張応力の結果である。引張応力がlarge 十分に大きくなると、融液は破断する。溶融破壊の影響は、ダイの長さが長くなるにつれて、またダイの温度が高くなるにつれて目立たなくなる。ダイの長さを長くすると、ダイの入口での断面変化の影響が緩和され、温度を高くすると、同じせん断速度で粘度と応力が低下します。キャピラリレオメータでは、溶融破壊の領域が、下図のような溶融圧力信号の規則的な振動として現れます。メルトは効果的に破断し、その後再形成されます。このとき、隣接する要素は異なる伸長履歴を経験しているため、ダイから出たときに異なる膨張を示します[1]。

スティックの状態

キャピラリレオメータでレオロジー特性を計算する際の基本的な仮定は、キャピラリ ダイの壁面にある材料が静止しているということです。実際には、ポリマーメルトは臨界応力においてこの状態から逸脱し、材料はせん断流動とプラグ流動の組み合わせとして流動します。キャピラリレオメータでは、長さと直径の比が同じで、ダイの内径半径が異なる少なくとも3組のキャピラリダイについて、押出圧力一定(すなわちせん断応力一定)、同一温度での流動曲線を測定することによって、ウォールスリップと臨界応力の決定を解析することができます(Mooneyのアプローチ)。式1を用いることで、ポリマー材料が加工中にスリップ挙動を示しやすいかどうかを明らかにすることができる。

ウォール・スリップが発生しない材料の場合（図4）、同一のせん断応力対せん断速度のプロファイルが生成されます。ウォールスリップが発生した場合、（せん断応力が一定の場合）せん断速度は、ダイの直径が大きくなるにつれて減少します（図 4 参照）。流れデータに対してムーニーのアプローチを採用することで、すべり速度を決定することができます。このすべり速度は、図4に示すように、勾配/4に等しく、せん断応力（o）の増加に伴って上昇します。さらに、臨界応力（oc）に関する情報も得ることができる（傾き>0）。これらのパラメータは、金型内の溶融物の流れや押出プロファイルを予測するために、せん断粘度や伸長粘度のデータとともに計算流体力学ソフトウェアパッケージで必要とされることがよくあります。

結論

ポリマーメルトレオロジーは複雑なテーマであり、研究者の要求を満たすために必要な情報を得るためには、慎重な実験設計が必要です。

キャピラリレオメータを使用することで、実験室で得られるせん断速度の範囲が回転式装置で得られる範囲を超え、一般的な処理条件下で流動特性を測定できるようになります。さらに、塗布条件下でのせん断特性と伸長特性の両方を容易に測定できるため、ポリマー製造・加工業者は、ポリマーメルトをうまく使用するために不可欠な情報を得ることができます。最後に、キャピラリレオメータを使用することで、工場での生産を停止することなく、制御された環境で加工に関する問題を調査することができます。

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情報源

[1] ポリマーのレオロジー試験と回転型レオメーターおよびキャピラリ押出しレオメーターによる物性測定 (azom.com)

[2] 文献Rheology Principles, Measurements, and Applications, Christopher W. Macosko, ISBN: 1-56081-579-5.

この記事の原著者であるBob Marsh博士（Malvern Panalyticalの元社員）に感謝する！