열가소성 플라스틱의 모세관 유변학: 개요

열가소성 플라스틱은 분자 구조와 이것이 가공 특성에 미치는 영향에 관한 정보를 얻어야 하는 경우, 키넥서스 회전 레오미터를 사용하여 특성화할 수 있습니다. 이는 로잔드 모세관 레오미터로 더 자세히 조사할 수 있습니다. 아래에서 자세히 읽어보세요!

모세관 레오미터는 어떻게 작동하나요?

고압 모세관 레오미터는 출구에 모세관 다이가 장착된 하나 이상의 정밀 보어가 통합된 온도 제어 배럴을 갖추고 있습니다. 용융 압력 트랜스듀서는 다이 바로 위에 장착되어 폴리머 용융물이 프로그래밍된 유량으로 다이를 통해 압출될 때 압력 강하를 기록합니다. 캐필러리 다이와 "오리피스" 또는 "제로 길이" 다이를 사용하면 폴리머 용융물의 전단 및 신장 점도를 전단 및 신장 속도에 대해 동시에 측정할 수 있습니다.

추가 액세서리를 사용하면 레이저 스캐닝 게이지를 통해 다이 팽창을 기록하거나, 폴리머 가닥을 일련의 속도 제어 닙 롤러를 통과시키고 압출 속도에 따른 힘(용융 장력)을 기록하여 압출 용융 강도를 기록할 수 있습니다[1].

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모세관 레오미터 = 더 높은 전단 속도

일반적으로 모세관 레오미터는 회전 레오미터에 비해 더 높은 전단 속도에서 용융 특성을 측정하는 데 사용되므로 일반적인 가공 조건에서 유동 거동을 결정할 수 있습니다. 특히 중요한 고려 사항은 다른 기술에 비해 더 높은 신장 속도에서, 더 중요한 것은 가공 라인에서 발생하는 신장 속도에서 신장(신율) 특성을 측정할 수 있다는 것입니다.

그림 1과 2는 전단 및 신장 데이터를 모두 보여 주며, 이는 중요하지만 종종 간과되는 점을 보여줍니다: 두 폴리머의 전단 흐름 거동은 거의 동일할 수 있지만, 상당히 다른 신장 특성을 나타낼 수 있다는 점입니다. 앞서 언급했듯이 많은 폴리머 공정(섬유 방사, 블로우 성형)은 본질적으로 신장 공정이므로 전단 점도를 측정하는 것보다 신장 점도를 측정하는 것이 더 중요합니다[1].

열가소성 플라스틱의 가공 거동 조사

모세관 레오미터는 재료의 유변학적 특성을 측정하는 것 외에도 가공 거동을 검사하는 데 자주 사용됩니다: 두 가지 예로는 유동 불안정 영역의 측정과 벽면 슬립 또는 임계 응력 측정이 있습니다.

흐름 불안정성

흐름 불안정성은 일반적으로 용융물이 큰 단면( large )에서 작은 단면으로 흐를 때 인장 응력의 결과입니다. 인장 응력이 large 충분히 커지면 용융물이 파단됩니다. 용융 파괴의 효과는 다이의 길이가 길어지고 다이 온도가 높아질수록 눈에 띄지 않게 됩니다. 다이 길이를 늘리면 다이 입구에서 단면 변화의 영향이 줄어드는 반면, 온도가 증가하면 동일한 전단 속도에서 점도와 응력이 감소합니다. 모세관 레오미터에서 용융물 파단 영역은 아래 그림과 같이 용융물 압력 신호의 규칙적인 진동으로 나타납니다. 용융물은 효과적으로 파단된 후 재변형되며, 인접한 요소들이 서로 다른 신장 이력을 경험했기 때문에 다이를 빠져나갈 때 다르게 부풀어 오르게 됩니다[1].

스틱 조건

모세관 레오미터로 유변학적 특성을 계산할 때 기본 가정은 모세관 다이 벽의 재료가 고정되어 있다는 것인데, 이를 소위 스틱 조건이라고 합니다. 실제로 폴리머 용융물은 임계 응력에서 이 상황을 벗어나고 재료는 플러그 흐름에 겹쳐진 전단 흐름의 조합으로 흐릅니다. 모세관 레오미터에서는 일정한 압출 압력(즉, 일정한 전단 응력)과 동일한 온도에서 길이 대 직경 비율이 같지만 다이 보어 반경이 다른 최소 세 세트의 모세관 다이에 대한 흐름 곡선을 측정하여 벽 슬립 및 임계 응력의 결정을 분석할 수 있습니다(Mooney의 접근법). 방정식 1을 사용하면 폴리머 소재가 가공 중에 슬립 거동을 보이는 경향이 있는지 파악하는 데 도움이 됩니다.

벽면 슬립이 발생하지 않는 소재의 경우(그림 4) 동일한 전단 응력 대 전단 속도 프로파일이 생성됩니다. 벽면 슬립이 발생하는 경우(일정한 전단 응력에서) 전단 속도는 금형 직경이 증가함에 따라 감소합니다(그림 4 참조). 유동 데이터에 무니의 접근법을 적용하면 그림 4와 같이 기울기/4와 같고 전단 응력(o)이 증가함에 따라 증가하는 슬립 속도를 결정할 수 있습니다. 또한 임계 응력(o c)에 관한 정보도 얻을 수 있습니다(기울기>0). 이러한 파라미터는 전단 및 신장 점도 데이터와 함께 전산 유체 역학 소프트웨어 패키지에서 금형 및 압출 프로파일에서 용융물의 흐름을 예측하는 데 필요한 경우가 많습니다.

결론

폴리머 용융 유변학은 연구자의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 정보를 얻기 위해 신중한 실험 설계가 필요한 복잡한 주제입니다.

모세관 레오미터는 실험실에서 얻을 수 있는 전단 속도 범위를 회전식 장비에서 사용할 수 있는 범위 이상으로 확장하고 일반적인 처리 조건에서 흐름 특성을 측정할 수 있습니다. 또한 적용 조건에서 전단 및 신장 특성을 모두 쉽게 측정할 수 있어 폴리머 생산자와 가공업체에 폴리머 용융물을 성공적으로 사용하는 데 필수적인 정보를 제공합니다. 마지막으로 모세관 레오미터를 사용하면 공장 현장에서 생산을 중단할 필요 없이 제어된 환경에서 공정 문제를 조사할 수 있습니다.

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출처

[1] 회전 레오미터 및 모세관 압출 레오미터를 사용한 폴리머의 유변학 테스트 및 특성 결정(azom.com)

[2] 문헌: 유변학 원리, 측정 및 응용, 크리스토퍼 W. 마코스코, ISBN: 1-56081-579-5.

이 기사의 원저자인 밥 마쉬 박사(전 말번 파날리티컬 직원)에게 감사드립니다!