폴리머의 점도와 점탄성에 대한 온도의 영향,그리고 이러한 특성이 장기적인 특성과 어떻게 연관되는지 알아보세요
소개
폴리머의 이완 시간, 전단 점도, 열화 시간은 모두 가공성에 중요한 파라미터이며, 이 세 가지 모두 온도에 큰 영향을 받습니다. 온도가 상승하면 전단 점도와 이완 시간이 감소하고 가공이 쉬워집니다. 그러나 산화가 시작되고 제품의 열 분해 속도가 빨라집니다. 또한 더 많은 열을 가하면 더 많은 에너지 소비가 필요합니다.
측정 조건
이 애플리케이션 노트에서는 회전 레오메트리를 통해 폴리프로필렌 소재의 전단 점도에 대한 온도의 영향을 조사합니다. 표 1에는 측정 조건이 요약되어 있습니다.
표 1: 테스트 조건
장치 | 키넥서스 울트라+(HTC Prime 포함) |
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지오메트리 | CP2/20(콘 플레이트, 콘 각도: 2°, 직경: 20mm) |
측정 간격 | 70 μm |
온도 | 190°C ~ 230°C |
대기 | 질소, 동적 흐름(1 l/min) |
측정 결과
그림 1은 다양한 온도에서 재료의 전단 점도 곡선을 보여줍니다. 각 온도에서 폴리머는 낮은 전단 속도 범위에서 뉴턴 점도의 정체기를 보입니다. 여기서 전단 속도는 폴리머 사슬의 엉킴을 유발할 만큼 충분히 높지 않습니다. 온도가 상승하면 전단 점도가 190°C에서 1,700 Pa.s에서 230°C에서 500 Pa.s로 감소하여 40°C의 온도 변화로 3 배 이상 감소했습니다!

온도뿐만 아니라 대기에 대해서도 특별한 주의를 기울여야 합니다. 그림 2는 230°C에서 불활성 대기(질소)와 산화 대기(공기)에서 얻은 전단 점도 곡선을 비교한 것입니다. 공기 중에서 시험 초기부터 전단 점도가 거의 감소하는 것은 폴리머의 산화 때문입니다.

일반 힘 이펙트
그림 1의 전단 점도 곡선(질소로 측정)은 연구된 모든 온도에서 점도가 4~10초-1 사이에서 감소하기 시작하는 것처럼 보입니다. 그러나 데이터, 특히 전단 응력(σ)과 첫 번째 정상 응력 차이(N1)를 자세히 살펴보면 12초-1 이상의 전단 속도에서 N1이 σ를 초과하는 것으로 나타났습니다(그림 3은 230°C에서의 데이터를 보여줍니다). N1이 σ를 초과하면 데이터를 더 이상 신뢰할 수 없을 수 있습니다.
이렇게 높은 정상력은 와이젠버그 효과 때문입니다: 높은 전단 속도에서는 폴리머의 신장 점도로 인해 폴리머가 원뿔 주위로 감겨서 정상 힘이 꾸준히 증가하기 때문에 위쪽 형상은 위로, 아래쪽 형상은 아래로 밀려납니다. 간격이 일정하게 유지되므로 지오메트리가 수직으로 움직일 수 없고 정상력이 회전 전단 응력을 초과하면 샘플이 간격에서 튕겨져 나오기 시작합니다. 그 후 N1이 감소하기 시작합니다.

폴리머의 진동 측정
원뿔과 평행 플레이트 사이의 폴리머 용융물에 대한 일정한 전단 측정은 종종 시료의 가장자리 파단을 유발하므로 이러한 재료의 점도 테스트는 일반적으로 진동 측정을 사용하여 수행됩니다. 콕스-머츠 법칙[1]은 대부분의 비충진 폴리머 시료에 적용되는 경험적 관계로, 알려진 전단 속도에서 일정한 전단 점도는 등가 각 주파수에서의 전단 점도(복소 성분)와 같다는 것을 나타냅니다(그림 4 참조). 따라서 진동 테스트는 폴리머 용융 점도 테스트에 자주 사용됩니다. 더 높은 전단 속도에서 전단 점도를 측정하는 또 다른 방법은 Rosand 모세관 레오미터를 사용하는 것입니다(그림 5 참조).


회전 레오미터의 기능 원리(진동 측정)
상판은 정의된 주파수 f[Hz] 또는 ω[rad/s] 및 진폭[%] 또는 복소 전단 변형률 γ[%]로 진동합니다.
이 진동에 필요한 복소 전단 응력 σ*[Pa]가 결정되어 "동상" 부분과 "위상 외" 부분으로 나뉩니다.
"동상" 부분은 점탄성 재료의 탄성 특성(→ G`, 저장 전단 계수)과 관련이 있고, "외상" 부분은 점탄성 재료의 점성 특성(→ G", 손실 전단 계수)과 관련이 있습니다.
결과: 시료의 점탄성 특성, 특히 복소 강성 G*와 복소 전단 점도 η* [Pa-s]가 결정됩니다:

다른 온도에서 다른 주파수로: 시간-온도 중첩(TTS): 시간-온도 중첩(TTS)
폴리머의 온도는 전단점도(앞서 설명한 것처럼)뿐만 아니라 점탄성 특성에도 영향을 미칩니다. 실제로 폴리머의 풀림 및 재풀림 속도는 분자 브라운 운동과 관련이 있으므로 온도 변화는 시간의 변화와 같은 방식으로 점탄성 특성에 영향을 미칩니다. 정해진 온도에서 정해진 시간 동안의 폴리머의 거동은 더 짧은 시간 스케일(즉, 더 높은 주파수)과 더 높은 온도에서의 거동과 유사합니다. 이 특성은 매우 넓은 주파수 범위에서 진동 테스트의 일반적인 결과 곡선인 "마스터 곡선"을 구성하는 데 사용할 수 있습니다. 마스터 곡선은 서로 다른 온도(등온선)의 정상 범위 주파수 스윕 결과를 결합하여 만들어집니다. 예를 들어 그림 6은 5°C에서 65°C 사이의 다양한 온도에서 주파수 스윕을 사용하여 계산한 25°C의 아스팔트 바인더에 대한 마스터 곡선(검은색 곡선)을 보여줍니다(자세한 내용은 여기를 참조하세요). 이러한 방식으로 마스터 커브는 시간이 많이 걸리는 측정 없이도 재료의 장시간 거동(즉, 저주파 범위)을 예측할 수 있습니다. 여기서 가장 낮은 표시 주파수(10-6Hz )에서의 지점 테스트는 11일 이상의 시간에 해당합니다!

결론
키넥서스 회전 레오미터는 폴리프로필렌의 전단 점도의 온도 의존성을 정확하게 특성화할 수 있었습니다. 낮은 전단 속도에서는 일정한 전단 점도 결과를 얻을 수 있었지만 중간에서 높은 전단에서는 첫 번째 정상 응력 차이 N1이 전단 응력을 초과하여 모서리 파손을 일으켰습니다. 그러나 콕스-메르츠 법칙을 사용하면 더 높은 주파수에서 진동 테스트를 사용하여 동일한 안정된 전단 점도 값을 생성할 수 있습니다. 따라서 점도 테스트 대신 진동 주파수 스윕 테스트를 사용하여 흐름 곡선을 생성할 수 있습니다. 온도는 또한 폴리머의 점탄성 특성에 영향을 미치므로 시간-온도 중첩 원리를 사용하면 훨씬 짧은 테스트를 사용하여 매우 넓은 주파수 범위에서 유변학적 거동을 예측할 수 있습니다.