소개
회전 레오미터는 점성 측정(상판이 회전하는 경우)과 진동 측정(상판이 지정된 주파수로 진동하는 경우) 모두에서 정의된 전단 속도 또는 응력 하에서 측정할 수 있습니다. 전단 점도는 회전 실험에서 가장 일반적으로 원하는 결과이지만, 진동 테스트는 시료의 점탄성 특성, 특히 복합 강성(G*)에서 얻은 복합 점도(ŋ*)에 대한 정보를 제공합니다[1].
다음에서는 점도 측정과 진동 실험을 모두 사용하여 폴리프로필렌을 측정하고 전단 점도(ŋ)를 복소점도(ŋ*)와 비교했습니다.
표 1: 회전 측정의 테스트 매개변수
| 장치 | 전기 가열 챔버가 있는 키넥서스 울트라+ | |
| 지오메트리 | CP2/20(콘 플레이트, 각도: 2°, 직경: 20mm) | |
| 온도 | 190°C(용융 온도보다 약 30°C 높음) | |
| 측정 간격 | 66 μm | |
| 전단 속도(-γ) | 0.01 ~ 10초-1 | |
폴리프로필렌의 회전 측정
폴리프로필렌 펠릿에 대한 회전 측정은 NETZSCH Kinexus ultra+ 레오미터를 사용하여 수행했습니다. 표 1에 측정 조건이 자세히 나와 있습니다.
그림 1은 프로그래밍된 전단 속도에 대한 전단 응력(σ, 녹색) 및 전단 점도(ŋ, 파란색)의 결과 곡선을 표시합니다. 낮은 전단 속도 범위에서는 전단 속도 증가에 따른 전단 응력의 증가가 선형이고 전단 점도는 거의 일정하며, 이것이 재료의 뉴턴적 고원입니다.
전단 속도가 증가함에 따라 전단 점도가 감소하기 시작하는 시점은 약 0.1초-1입니다. 기울기가 변화하며 이는 전단 얇아짐 현상이 더 뚜렷하게 나타나고 있음을 나타냅니다. 그러나 정상 상태 곡선(시료 내에서 시간에 독립적인 흐름을 나타내는 그림 2, 검은색)을 보면 이 전단 속도 이상에서는 흐름이 더 이상 시간에 독립적이지 않다는 것을 알 수 있습니다. 정상 흐름 값을 확인하여 측정이 정확한 전단 점도 값으로 이어지도록 보장합니다: 이 값은 시간에 독립적인 층류 흐름의 경우 1이 됩니다. 여기서 곡선 증가는 지난 10년간 표시된 전단 점도 값이 더 이상 신뢰할 수 없음을 증명합니다.
이 동작은 어디에서 비롯된 것일까요? 그림 3을 보면 답을 찾을 수 있습니다. 전단 점도(파란색) 외에도 전단 응력(녹색)이 첫 번째 정규 응력 차이(N1, 빨간색)와 함께 플롯되어 있습니다. 첫 번째 정규 응력 차이인 N1의 강한 증가는 바이젠베르크 효과로 인한 것일 가능성이 높습니다: 샘플의 탄성 특성이 점성 특성을 지배합니다. 샘플이 위쪽 지오메트리를 밀어 올리려고 시도합니다(측정하는 동안 측정 간격이 일정하게 유지되므로 불가능합니다). 이 효과는 전단 응력 곡선을 초과하는 N1 곡선으로 강조 표시됩니다.
전단 점도 값을 구하는 방법: 콕스-메르츠 법칙
전단 점도 곡선을 제대로 평가할 수 없는 경우 콕스-메르츠 법칙[2]이 매우 유용합니다. 이는 대부분의 폴리머 용융물의 경우 전단 속도(-γ [s-1])의 함수인 전단 점도(η)는 각 주파수(ω [rad/s])의 함수인 복소 점도(η* [Pa-s])와 같다는 경험적 관계입니다. 이 두 번째 곡선은 주파수가 변화하는 진동 측정(주파수 스윕)을 통해 얻을 수 있습니다.
먼저 주파수 스윕 중에 사용할 변형을 결정하기 위해 진폭 스윕을 수행합니다. 폴리머에 가해지는 변형은 샘플 구조의 파괴로 이어지지 않을 만큼 충분히 낮아야 합니다. 즉, 선택한 변형률은 변형률과 응력이 선형 관계에 있는 시료의 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)에 속해야 합니다.
표 2에는 폴리프로필렌에 대한 진동 측정 조건이 자세히 나와 있습니다.
그림 4는 변형(그림 4A)과 해당 전단 응력(그림 4B)의 함수로서 탄성, 손실 계수 및 위상각의 결과 곡선을 표시합니다. 측정을 시작할 때 탄성 및 점성 계수는 일정하게 유지되는데, 이는 적용된 변형이 샘플 구조를 파괴하지 않음을 나타냅니다. 그러나 전단 변형률 20%에서 진폭이 증가하면 두 계수가 모두 감소하는 반면 위상각은 증가합니다. ISO 6721-10에 따라 선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER의 끝은 진폭이 5% 감소하여 G´ 값이 5% 감소하는 진폭에서 결정됩니다. 이 경우 32%의 값에 해당합니다.
표 2: 진동 측정의 테스트 파라미터
진폭 스윕 | 주파수 스윕 | |
| 장치 | 전기 가열 챔버가 있는 키넥서스 울트라+ | |
| 지오메트리 | PP25(플레이트-플레이트, 직경: 25mm) | PP25 |
| 온도 | 190°C(용융 온도보다 약 30°C 높음) | |
| 측정 간격 | 1 mm | 1 mm |
| 주파수 | 1 Hz | 10-3 ~ 10Hz |
| 전단 변형률(γ*) | 1 ~ 100% | - |
| 전단 응력(σ*) | - | 1,000 Pa |
진폭 스윕 중에 얻은 곡선은 전단 응력의 함수로도 표시할 수 있습니다(그림 4B). 후속 주파수 스윕을 위해 샘플에 1000 Pa의 전단 응력을 적용했습니다.
그림 5는 회전 측정에서 얻은 전단 점도(파란색)와 주파수 스윕에서 얻은 복합 점도(주황색)를 보여줍니다. 두 곡선 모두 10-2와 2 rad/s 사이에서 잘 일치합니다. 이를 통해 결론 폴리프로필렌 용융물의 전단 점도와 복소 점도를 회전 측정과 진동 측정을 통해 비교했습니다. 폴리머에 일정한 흐름을 가할 수 있는 한 전단 점도와 복소점도 사이의 좋은 일치성을 입증할 수 있었습니다. 이러한 동작은 콕스-메르츠 법칙에서 예상되는 것입니다. 유동 불안정성이 발생하는 더 높은 전단 속도의 경우 더 이상 안정된 흐름에 도달하지 못합니다. 여기서 콕스-메르츠 법칙은 복소 점도를 사용하여 전단 점도에 대한 지식을 드러내기 때문에 매우 유용합니다. 용융 폴리프로필렌의 회전 및 진동 측정 중 전단 점도(η, 파란색) 및 복소점도(η*, 주황색) 5 위에서 설명한 결과: 더 높은 전단 속도에서 발생하는 유동 불안정성으로 인해 유동이 시간에 독립적이지 않습니다. 따라서 회전 측정으로는 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 없습니다. 그러나 콕스-메르츠를 적용하면 정상 상태 전단 점도를 쉽게 측정할 수 있습니다: 진동 측정을 수행한 후 각도 주파수의 함수로서 복소점도를 구하기만 하면 됩니다.
결론
폴리프로필렌 용융물의 전단 점도와 복소 점도를 회전 및 진동 측정을 통해 비교했습니다. 폴리머에 일정한 흐름을 가할 수 있는 한 전단 점도와 복소점도 사이의 좋은 일치도를 입증할 수 있었습니다. 이러한 동작은 콕스-메르츠 법칙에서 예상되는 것입니다. 유동 불안정성이 발생하는 더 높은 전단 속도의 경우 더 이상 안정된 흐름에 도달하지 못합니다. 여기서 콕스-메르츠 법칙은 복소 점도를 사용하여 전단 점도에 대한 지식을 드러내기 때문에 매우 유용합니다.