Inleiding
Polypropyleen (PP) is een essentiële kunststof voor algemeen gebruik en wordt op grote schaal toegepast in de automobiel-, verpakkings-, elektronica-, textiel- en andere industrieën vanwege zijn uitstekende mechanische eigenschappen, chemische stabiliteit en verwerkbaarheid. Om de verwerking van PP-materialen verder te optimaliseren en de productkwaliteit en -prestaties te verbeteren, is het echter van groot praktisch belang om diepgaand onderzoek te doen naar het reologische gedrag van PP.
Viscositeit, als een cruciale indicator van het stromingsgedrag van polymeren, hangt nauw samen met de materiaalverwerking. In verschillende productieprocessen moet PP binnen specifieke temperatuurbereiken stromen en vorm aannemen. Daarom stelt een nauwkeurig inzicht in hoe de viscositeit van PP varieert met de temperatuur ingenieurs in staat om de verwerkingsparameters nauwkeurig te regelen, waardoor een optimale vloeibaarheid en vormkwaliteit van PP tijdens de productie wordt gegarandeerd.
De capillaire reometer, een classic reologisch testinstrument, wordt op grote schaal gebruikt in polymeeronderzoek vanwege zijn vermogen om de reologische eigenschappen van materialen te meten over een breed bereik van afschuifsnelheden en temperaturen. In dit onderzoek werd een Rosand RH10 capillaire reometer ( NETZSCH, figuur 1) gebruikt om de effecten van temperatuur en afschuifsnelheid op de smeltviscositeit en de activeringsenergie voor viskeuze stroming van PP systematisch te onderzoeken. De bevindingen bieden een theoretische basis voor het optimaliseren van de verwerkingsparameters van PP, wat uiteindelijk de kwaliteit en prestaties van PP-producten verbetert.
Meetomstandigheden en testmethode
De meetomstandigheden worden in tabel 1 nader beschreven.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Instrument | NETZSCH Rosand RH10 |
| Monsters | PP |
Druk transducer | 10.000 psi |
| Matrijsspecificatie | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Testtemperatuur | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Bereik afschuifsnelheid | 10 – 10.000 s⁻¹ |
Nadat de matrijzen onder de linker cilinder waren geïnstalleerd en was gewacht tot de temperatuur zich had gestabiliseerd, werden er langzaam PP-korrels aan de cilinder toegevoegd, werd de druk op 1 MPa gebracht en werd het mengsel vervolgens gedurende 5 minuten op een constante temperatuur voorverwarmd. Vervolgens voerde het instrument automatisch de test uit, waarbij de afschuifsnelheid werd toegepast en de druk werd geregistreerd.
Meetresultaten en bespreking
Figuur 2 toont de curven van de afschuifviscositeit als functie van de afschuifsnelheid voor PP-monsters bij verschillende temperaturen. Zoals uit figuur 2 blijkt, neemt de afschuifviscositeit van de PP-monsters onder alle temperatuuromstandigheden geleidelijk af naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, wat wijst op een typisch afschuifverdunnend gedrag. Dit fenomeen treedt op omdat de ontwarring van de PP-macromoleculaire ketens toeneemt bij hogere afschuifsnelheden, wat leidt tot een snelle afname van de afschuifviscositeit. Bij een verdere toename van de afschuifsnelheid neemt de effectiviteit van de afschuifspanning bij het bevorderen van de ontwarring van de macromoleculaire ketens echter af, waardoor de dalende trend van de afschuifviscositeit wordt afgeremd.
Bovendien neemt de afschuifviscositeit van de PP-monsters aanzienlijk af bij een stijgende temperatuur bij dezelfde afschuifsnelheid. Dit komt doordat bij een stijgende temperatuur het vrije volume van de PP-smelt toeneemt, waardoor de mobiliteit van de ketensegmenten toeneemt en de intermoleculaire interactiekracht afneemt, waardoor de vloeibaarheid van PP verbetert. Het verschil in afschuifviscositeitswaarden bij verschillende temperaturen neemt echter merkbaar af wanneer de afschuifsnelheid hoger is dan 500 s-1. Vooral wanneer de afschuifsnelheid wordt verhoogd tot 5000 s⁻¹, hebben de afschuifviscositeitscurves bij verschillende temperaturen de neiging om elkaar te overlappen, en wordt de dalende trend van de afschuifviscositeit langzamer. Dit geeft aan dat boven een kritische afschuifsnelheid de gevoeligheid van de afschuifviscositeit van PP voor temperatuur afneemt, wat wijst op een breder verwerkingstemperatuurbereik voor PP binnen dit afschuifsnelheidsbereik.
De activeringsenergie voor viskeuze stroming (Eη) is een indicator voor de temperatuurgevoeligheid van de schijnbare afschuifviscositeit van een polymeersmelt. Een hogere Eη-waarde duidt op een grotere gevoeligheid van de smeltviscositeit voor temperatuurschommelingen, terwijl een lagere waarde wijst op een verminderde temperatuurafhankelijkheid. Eη kan worden berekend met behulp van de Arrhenius-vergelijking (1):
waarbij ηa de smeltviscositeit is; Eη de activeringsenergie voor viskeuze stroming; R de gasconstante (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A een temperatuuronafhankelijke constante.
Op basis van de in figuur 2 gemeten gegevens zijn grafieken van lgηa tegen 1/T opgesteld en geanalyseerd. Bijgevolg worden de relatiecurves van lgηa ~ 1/T bij verschillende afschuifsnelheden weergegeven in figuur 3, waarbij de specifieke waarden zijn opgenomen in tabel 2. Zoals te zien is, kan Eη van PP bij verschillende afschuifsnelheden worden bepaald aan de hand van de hellingen van de aangepaste lineaire curven in figuur 3, waarbij de specifieke waarden zijn opgenomen in tabel 2. Eη van PP neemt af naarmate de afschuifsnelheid toeneemt binnen het geteste temperatuurbereik. Dit wijst erop dat de afschuifviscositeit van de PP-smelt bij hoge afschuifsnelheden minder temperatuurgevoelig is. Vanuit het perspectief van moleculaire dynamica kan dit fenomeen worden verklaard door het feit dat externe afschuifkrachten de verstrengeling tussen PP-moleculen verstoren, waardoor de gevoeligheid van de afschuifviscositeit voor temperatuur afneemt. Dit komt tot uiting in de viscositeitscurves (figuur 2), waar de curves bij verschillende temperaturen bij hoge afschuifsnelheden bijna samenvallen. Daarom blijkt het verhogen van de temperatuur minder effectief te zijn bij het verlagen van de afschuifviscositeit van de PP-smelt bij hoge afschuifsnelheden. Bij lage afschuifsnelheden daarentegen kan het verhogen van de temperatuur de vloeibaarheid van PP aanzienlijk verbeteren, waardoor het energieverbruik tijdens de verwerking wordt verminderd.
Tabel 2:Eη van PP bij verschillende afschuifsnelheden
| Afschuifsnelheid (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10.000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Conclusie
In deze toepassingsnota zijn de reologische eigenschappen van PP bij verschillende temperaturen en afschuifsnelheden onderzocht met behulp van een Rosand RH10 capillaire reometer. Bij relatief lage afschuifsnelheden (10 tot 500 s⁻¹) neemt de afschuifviscositeit van PP aanzienlijk af naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, terwijl bij hoge afschuifsnelheden (500 tot 10.000 s⁻¹) de afname van de afschuifviscositeit geleidelijker verloopt. Bovendien neemt Eη van PP af naarmate de afschuifsnelheid toeneemt, wat erop wijst dat hogere afschuifsnelheden de temperatuurgevoeligheid van de smeltviscositeit van PP effectief verminderen.