Polymeerreologie en moleculaire massa

Inleiding

Extrusie, spuitgieten en persen zijn allemaal processen die afhankelijk zijn van de viscositeit van een materiaal, d.w.z. de weerstand tegen stromen. Viscositeit beïnvloedt echter niet alleen de verwerking, maar ook de mechanische eigenschappen van het eindproduct. Met name moleculaire massa en viscositeit zijn nauw met elkaar verbonden.

Hieronder worden drie verschillende PEEK-materialen geclassificeerd op basis van hun moleculaire massa met behulp van oscillatiemetingen op een Kinexus rotationele reometer.

Meetomstandigheden

Frequentiemetingen werden uitgevoerd op drie materialen, PEEK 1, PEEK 2 en PEEK 3. De rek (of spanning) die op het monster wordt uitgeoefend moet laag genoeg zijn om de structuur van het monster niet te vernietigen, zodat de meting wordt uitgevoerd binnen het lineair-visco-elastische bereik (Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER). Een amplitude sweep dient als voormeting om de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER-limiet te bepalen. Tabel 1 toont de voorwaarden van de amplitude- en de frequentieveegbeweging.

Tabel 1: Voorwaarden voor de oscillatiemetingen

Amplitude Sweep: Bepaling van de LVER (Lineair Visco-Elastisch Bereik)

Figuur 1 toont de krommen die het resultaat zijn van de amplitude sweep op PEEK 1 als functie van de afschuifspanning. Voor afschuifspanningen tot ongeveer 30% - wat overeenkomt met een afschuifspanning van ongeveer 10.000 Pa - blijft de elastische afschuifmodulus G´ constant, wat suggereert dat het materiaal zich in Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER bevindt. De afname van G´ voor hogere afschuifspanningen is te wijten aan de afbraak van de structuur van het monster. Voor de volgende frequentiereeks wordt een afschuifspanning van 1.000 Pa gekozen.

Frequentie Sweep

Figuur 2 toont de krommen van de elasticiteitsmodulus en de verliesschuifmodulus naast de fasehoek tijdens een frequency sweep van PEEK materiaal 1. In de richting van de lagere frequenties overheerst de verliesschuifmodulus de elastische schuifmodulus, wat resulteert in een fasehoek groter dan 45 °C. De G' en G" curven kruisen elkaar bij een frequentie van 15 Hz. Hier gaat het materiaal over van een door vloeistof gedomineerde toestand, waarin de polymeerketens tijd hebben om te ontwarren (lage frequenties), naar een door vaste stof gedomineerde toestand, waarin de ketens in elkaar grijpen en zich gedragen als een netwerk (hoge frequenties).

Enkele definities

G*: Complexe afschuifmodulus
G': Opslag afschuifmodulus, elastische bijdrage aan G*
G": Loss shear modulus, viskeuze bijdrage aan G*
δ: Fasehoek

De fasehoek δ (δ = G"/G') is een relatieve maat voor de viskeuze en elastische eigenschappen van een materiaal. Deze varieert van 0° voor een volledig elastisch materiaal tot 90° voor een volledig viskeus materiaal.

Figuren 3 en 4 tonen de frequentie sweep van PEEK monsters 2 en 3 onder dezelfde omstandigheden. De resulterende curven van beide materialen lijken sterk op elkaar en wijken af van het eerste monster. Tijdens de volledige meting domineert de viskeuze afschuifmodulus (G") de elastische afschuifmodulus (G'), wat resulteert in een fasehoek (δ) van meer dan 45°. Richting de lagere frequenties neemt de fasehoek toe tot bijna de maximale waarde van 90°. Met andere woorden, bij lage frequenties (of langschalen) gedraagt het monster zich als een bijna zuiver viskeuze vloeistof zonder elastische eigenschappen. Er werd geen crossover gedetecteerd in het gemeten frequentiebereik, maar deze bestaat waarschijnlijk wel bij hogere frequenties omdat de G´ en G" curven naar elkaar toe neigen bij toenemende frequenties. De moleculaire massa van de polymeren is gerelateerd aan de positie van de crossover: Hoe lager de frequentie van de crossover, hoe hoger de moleculaire massa.

In dit geval heeft PEEK 1 een hogere moleculaire massa dan PEEK 2 en PEEK 3. PEEK 2 en PEEK 3 verschillen in de waarden van de elastische afschuifmodulus. Deze is voor PEEK 2 lager dan voor PEEK 3 in het hele gemeten frequentiebereik (meer dan een decennium verschil bij 0,01 Hz). De verliesschuifmodulus van PEEK 2 is ook lager dan die van PEEK 3. Dit resulteert in een hogere stijfheid voor PEEK 3.

Van het Zero Shear Viscosity Plateau naar de Moleculaire massa

Figuur 5 vergelijkt de complexe viscositeit (η) van de drie monsters. De curven van PEEK 1 en PEEK 2 zijn bijna parallel, beide bereiken een Newtoniaans plateau in het lage frequentiebereik en vertonen een afschuifverdunnend gedrag bij hogere frequenties. Het niveau van het Newtonse plateau is gerelateerd aan de moleculaire massa van het polymeer: Hoe hoger de moleculaire massa, hoe hoger de nulviscositeit. [1]

De complexe viscositeit (η*) van monster 1 blijft daarentegen toenemen met afnemende frequenties en het newtoniaanse plateau wordt nog steeds niet bereikt bij een frequentie van 0,01 Hz. Bovendien vertoont dit PEEK-materiaal voor het volledige gemeten frequentiebereik een hogere complexe viscositeit met meer dan 1,5 decennia verschil met monster 2 bij 0,01 Hz.

Uit het niveau van het afschuifviscositeitsplafond van alle drie monsters kan worden geconcludeerd dat PEEK 1 een hogere molecuulmassa heeft, gevolgd door PEEK 2 en PEEK 3. Dit bevestigt de resultaten van de G´ en G" curven.

Conclusie

Het reologische gedrag van drie PEEK-monsters werd gekarakteriseerd met de Kinexus rotationele reometer. Ze verschillen in de waarde van het nul-schuifviscositeitsplafond van de complexe viscositeit. Dit komt door verschillen in de moleculaire massa's van de materialen.