Thermoplasten analyseren met een Kinexus rotatieriemeter

Een van de belangrijkste redenen waarom polymeren zo veel gebruikt worden, is omdat ze relatief goedkoop te vormen zijn tot complexe vormen in gesmolten toestand, wat een enorme verandering in reologie betekent van een vast uitgangsmateriaal tot een vast eindproduct. Leer hoe je vloeicurven bepaalt, kruiptesten uitvoert en viskeuze en elastische eigenschappen meet.

Een van de belangrijkste redenen waarom polymeren zo wijdverbreid zijn, is dat ze relatief goedkoop in gesmolten toestand complexe vormen kunnen aannemen, wat een enorme verandering in reologie betekent van een vast uitgangsmateriaal tot een vast eindproduct. We moeten echter begrijpen hoe ze stromen als ze op deze manier worden verwerkt. In ons vorige artikel hebben we verschillende reologische eigenschappen van polymeren besproken. Nu kijken we naar drie eigenschappen die bepaald kunnen worden met de Kinexus rotatierheometer.

Rotatie reometers instrumenten vereisen normaal gesproken een small monster van het te testen materiaal in de vorm van een schijf - typische afmetingen zijn 25mm diameter en 1mm dik. Het monster wordt tussen een paar parallelle platen of bovenste kegel en onderste plaat geplaatst, waarvan de temperatuur nauwkeurig kan worden gehandhaafd om de omstandigheden na te bootsen die het monster ondergaat tijdens de verwerking [1].

De Kinexus van NETZSCH kan een aantal testtypes uitvoeren om een volledige karakterisering van een materiaal over een reeks temperaturen en stroomsnelheden mogelijk te maken. Voorbeelden van de beschikbare testtypes zijn:

Standaard monsterhouder voor vier ronde monsters van 12,7 mm, ontworpen voor precisie en stabiliteit in testtoepassingen. — Figuur 1: Vloeicurve voor LDPE bij 190 °C met een plateau voor viscositeit bij lage afschuifsnelheid. De grootte van de nulschuifviscositeit is gerelateerd aan het gemiddelde moleculaire gewicht van het polymeer

Debietcurves bepalen

Vloeicurven meten de afschuifviscositeit versus afschuifsnelheid of afschuifspanning. Bij voldoende lage afschuifsnelheden wordt een constante waarde voor de viscositeit bereikt. Het is aangetoond dat deze zogenaamde nul afschuifviscositeit afhangt van het gemiddelde moleculaire gewicht van het polymeer en de lengte van het plateau (hoe hoog de afschuifsnelheid voordat de viscositeit afneemt) weerspiegelt de breedte van de moleculaire gewichtsverdeling [1].

Bepaal de nul afschuifviscositeit met kruiptests

Kruiptesten (aanbrengen van constante spanning gedurende een bepaalde periode) zijn een alternatieve manier om de nul afschuifviscositeit te bepalen. In combinatie met hersteltesten (verwijderen van de spanning) kan met deze testen de hoeveelheid elasticiteit in het monster worden gemeten, omdat een materiaal door zijn "elasticiteit" zal terugspringen en zal proberen zijn oorspronkelijke vorm terug te krijgen [1].

Kruip- en herstelcurven van polypropyleen bij 190ºC illustreren nul afschuifviscositeit en herstelbare conformiteitsmetingen. — Figuur 2: KruipKruip beschrijft een tijd- en temperatuurafhankelijke plastische vervorming onder een constante kracht. Wanneer een constante kracht wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de initiële vervorming die wordt verkregen door het uitoefenen van de kracht niet vast. De vervorming neemt toe met de tijd.Kruip- (blauw) en herstelcurve (rood) van polypropyleen bij 190ºC maken het mogelijk om de nulschuifviscositeit te bepalen en de evenwichtsherstelbaarheid

Viskeuze en elastische eigenschappen meten

Small amplitude sinusoïdale oscillerende testen als functie van de testfrequentie is een snelle en veelgebruikte methode om de viskeuze en elastische eigenschappen van een polymeer te meten. Er worden meestal twee parameters gerapporteerd - de elastische (opslag) modulus en de viskeuze (verlies) modulus (G'') die de relatieve mate van herstel (elastische respons) of vloeien (viskeuze respons) van het materiaal weergeven als de vervormingssnelheid (testfrequentie) verandert. Een typische respons voor een polymeermelt is om elastisch gedomineerd gedrag te vertonen bij hoge frequenties en viskeus gedomineerd gedrag bij lage frequenties. Dit betekent dat er een kritische frequentie is waarbij de twee reacties gelijk zijn.

Dit is duidelijk een welomschreven punt en voor het gemak is aangetoond dat deze "cross-over" frequentie en modulus afhangt van het molecuulgewicht en de molecuulgewichtverdeling van sommige lineaire polymeren. Een potentieel voordeel van het gebruik van dit punt als kwaliteitscontrolemiddel is dat de cross-over van elastische en viskeuze moduli optreedt bij aanzienlijk hogere frequenties dan het punt waarop een constante waarde van afschuifviscositeit optreedt. De testtijd voor oscillatietesten is meestal korter in vergelijking met het uitvoeren van vloeikrommemetingen of kruiptesten [1].

Frequency sweep grafiek voor polypropyleen bij 190ºC, ter illustratie van de cross-over puntanalyse van elastische en viskeuze componenten. — Figuur 3: Frequentiebereik voor polypropyleen bij 190ºC. Het cross-overpunt wordt bepaald door het gemiddelde molecuulgewicht en de molecuulgewichtsverdeling

Kinexus rotationele reometers zijn de keuze bij uitstek wanneer informatie nodig is over de moleculaire structuur en hoe deze de verwerkingseigenschappen beïnvloedt. Vooral de mogelijkheid om gemakkelijk informatie over het gemiddelde molecuulgewicht en de molecuulgewichtverdeling te verkrijgen via meting van de visco-elastische eigenschappen maakt de rotationele reometer tot een krachtig hulpmiddel.

Na de basisbeginselen van het analyseren van thermoplasten met een Kinexus rotationele reometer te hebben behandeld, laat het volgende blogartikel twee voorbeelden zien om te illustreren hoe visco-elastische karakterisering van polymeren echte verwerkingsproblemen heeft opgelost.

Bron

[1] Reologieonderzoek van polymeren en de bepaling van eigenschappen met behulp van rotatieremmers en capillaire extrusieremmers (azom.com)

Met dank aan Dr. Bob Marsh (voormalig medewerker van Malvern Panalytical) als oorspronkelijke auteur van dit artikel!