폴리머 유변학 및 분자 질량

소개

압출, 사출 성형 및 압축 성형은 모두 재료의 점도, 즉 흐름에 대한 저항에 의존하는 공정입니다. 그러나 점도는 공정뿐만 아니라 최종 제품의 기계적 특성에도 영향을 미칩니다. 특히 분자량과 점도는 밀접한 관련이 있습니다.

아래에서는 키넥서스 회전 레오미터의 진동 측정을 사용하여 분자 질량에 따라 세 가지 PEEK 소재를 분류합니다.

측정 조건

주파수 측정은 PEEK 1, PEEK 2, PEEK 3으로 지정된 세 가지 재료에 대해 수행되었습니다. 샘플에 가해지는 변형(또는 응력)은 샘플의 구조를 파괴하지 않을 정도로 충분히 낮아야 선형-점탄성 범위(선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER) 내에서 측정이 수행됩니다. 진폭 스윕은 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER 한계를 결정하기 위한 예비 측정으로 사용됩니다. 표 1에는 진폭 및 주파수 스윕의 조건이 나와 있습니다.

표 1: 진동 측정 조건

진폭 스윕: LVER 결정 (선형 점탄성 범위)

그림 1은 전단 변형률의 함수로서 PEEK 1의 진폭 스윕으로 인한 곡선을 보여줍니다. 최대 약 30%의 전단 변형률(약 10,000 Pa의 전단 응력에 해당)의 경우 탄성 전단 계수 G´는 일정하게 유지되며 이는 재료가 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER에 있음을 나타냅니다. 더 높은 전단 변형률에 대한 G´의 감소는 샘플의 구조가 파괴되었기 때문입니다. 다음 주파수 스윕에서는 전단 응력 1,000 Pa가 선택됩니다.

주파수 스윕

그림 2는 PEEK 재료 1의 주파수 스윕 중 위상각과 더불어 탄성 및 손실 전단 계수의 곡선을 보여줍니다. 낮은 주파수 방향에서는 손실 전단 계수가 탄성 전단 계수를 지배하여 위상각이 45°C보다 높습니다. G' 및 G" 곡선은 15Hz의 주파수에서 교차합니다. 여기서 재료는 폴리머 사슬이 풀릴 시간이 있는 액체 우세 상태(저주파)에서 사슬이 서로 맞물려 네트워크처럼 작동하는 고체 우세 상태(고주파)로 전환됩니다.

몇 가지 정의

G*: 복합 전단 계수
G': 저장 전단 계수, G*에 대한 탄성 기여도
G": 손실 전단 계수, G*
δ에 대한 점성 기여도: 위상 각도

위상각 δ(δ = G"/G')는 재료의 점성 및 탄성 특성을 상대적으로 측정한 값입니다. 완전 탄성 소재의 경우 0°부터 완전 점성 소재의 경우 90°까지 범위입니다.

그림 3과 4는 동일한 조건에서 PEEK 샘플 2와 3의 주파수 스윕을 표시합니다. 두 재료의 결과 곡선은 매우 유사하며 첫 번째 샘플과 다릅니다. 전체 측정 동안 점성 전단 계수(G")가 탄성 전단 계수(G')를 지배하여 위상각(δ)이 45°보다 높습니다. 낮은 주파수 방향으로 갈수록 위상각은 증가하여 거의 최대 값인 90°에 도달합니다. 즉, 저주파수(또는 장시간 스케일)에서 샘플은 탄성 특성이 없는 거의 순수한 점성 유체처럼 작동합니다. 측정된 주파수 범위에서 크로스오버는 감지되지 않았지만, 주파수가 증가함에 따라 G´ 및 G" 곡선이 서로를 향하는 경향이 있기 때문에 더 높은 주파수에서 존재할 가능성이 높습니다. 폴리머의 분자 질량은 크로스오버의 위치와 관련이 있습니다: 크로스오버의 주파수가 낮을수록 분자 질량이 높아집니다.

이 경우 PEEK 1은 PEEK 2 및 PEEK 3보다 분자량이 더 높습니다. PEEK 2와 PEEK 3은 탄성 전단 계수 값이 다릅니다. 측정된 전체 주파수 범위에서 PEEK 2가 PEEK 3보다 낮습니다(0.01Hz에서 10배 이상 차이). PEEK 2의 손실 전단 계수도 PEEK 3보다 낮습니다. 따라서 PEEK 3의 강성이 더 높습니다.

전단점도 제로 고원에서 분자 질량까지

그림 5는 세 샘플 모두의 복소점도(η)를 비교한 것입니다. PEEK 1과 PEEK 2의 곡선은 거의 평행하며, 저주파수 범위에서는 뉴턴 고원에 도달하고 고주파수에서는 전단 얇아지는 거동을 보입니다. 뉴턴 고원의 수준은 폴리머의 분자 질량과 관련이 있습니다: 분자 질량이 높을수록 영점도도 높아집니다. [1]

반면, 샘플 1의 복소점도(η*)는 주파수가 감소함에 따라 계속 증가하며 0.01Hz의 주파수에서는 여전히 뉴턴 고원에 도달하지 못합니다. 또한, 측정된 전체 주파수 범위에서 이 PEEK 재료는 0.01Hz에서 샘플 2와 1.5배 이상의 차이를 보이며 더 높은 복소점도를 보여줍니다.

세 시료 모두의 전단 점도 정체 수준에서 PEEK 1의 분자량이 더 높고, 그 다음이 PEEK 2와 PEEK 3이라는 결론을 내릴 수 있습니다. 이는 G´ 및 G" 곡선으로 얻은 결과를 확인시켜 줍니다.

결론

세 가지 PEEK 샘플의 유변학적 거동은 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 특성화했습니다. 이들은 복합 점도의 영전단 점도 고원 값이 다릅니다. 이는 재료의 분자 질량 차이 때문입니다.