Duiken in de grondbeginselen van de reologie van thermoplasten

Reologie is de wetenschap die het vloeien en vervormen van materialen bestudeert, gebaseerd op de wetten van elasticiteit en viscositeit die eind^17e eeuw door Hooke en Newton werden voorgesteld. Thermoplastische polymeermeltsmelten worden op grote schaal gebruikt in veel moderne industriële processen om een veelheid aan voorwerpen te vervaardigen. Polymeren worden gebruikt omdat ze in gesmolten toestand relatief goedkoop tot complexe vormen kunnen worden gevormd. We moeten echter begrijpen hoe ze stromen als ze worden verwerkt [1].

Invloedsfactoren op het vloeigedrag van polymeren

Polymeren zijn ingewikkelde materialen om reologisch te karakteriseren omdat er veel factoren zijn die hun vloei-eigenschappen beïnvloeden. Voorbeelden van factoren die het stromingsgedrag beïnvloeden zijn onder andere de verwerkingstemperatuur, de stromingssnelheid en de verblijftijd.

Bovendien liggen de reologische eigenschappen van polymeren tussen die van een vloeistof en een vaste stof in. Dit leidt tot tijdsafhankelijkheid van de vloei-eigenschappen en andere belangrijke eigenschappen, waarvan sommige hieronder worden besproken [1].

Belangrijke reologische eigenschappen van polymeren

Het is bekend datde smeltviscositeit sterk afhankelijk is van de temperatuur. Door de temperatuur van een mal te verlagen tot het geproduceerde onderdeel een matte afwerking heeft, kan de procesingenieur leren bij welke minimumtemperatuur (en dus maximale harsviscositeit) het proces kan worden uitgevoerd zonder dat oppervlaktedefecten zichtbaar worden. Het verlagen van de matrijstemperatuur bespaart energie en kan cyclustijden verkorten, dus inzicht in de temperatuurafhankelijkheid van de smeltviscositeit is erg nuttig.

Het is bekend dat polymeermelt bij extrusie opzwelt . Dit fenomeen uit zich in een toename van de diameter van het extrudaat nadat het een matrijs verlaat. De mate van opzwellen is gerelateerd aan de hoeveelheid elastische vervorming van het materiaal bij de inlaat van de matrijs. Een ander feit waarmee rekening moet worden gehouden is dat de mate van uitzetting van het extrudaat afhankelijk is van de lengte van de matrijs wanneer het materiaal wordt geëxtrudeerd bij een constante doorvoer. Met andere woorden, polymeermelt vertoont een tijdsafhankelijkheid omdat het materiaal de elastische vervorming vergeet die werd toegepast bij de ingang van de matrijs.

Smeltelasticiteit kan ook ingrijpende gevolgen hebben voor veel andere polymeerprocessen, zoals:

• Blaasvormen waarbij de wanddikte van het geblazen onderdeel afhangt van de mate van uitzetting die heeft plaatsgevonden tijdens het extrusieproces voordat de matrijs wordt gesloten.
• Vacuümvormen of thermovormen waarbij het polymeer een zekere mate van elasticiteit moet behouden om te voorkomen dat het materiaal doorzakt voordat het vacuüm over de koudvormmatrijs wordt getrokken. Als het materiaal niet voldoende elasticiteit heeft, zal het waarschijnlijk in contact komen met de gekoelde matrijs voordat het vacuüm of de druk wordt toegepast [1].

Hoe het vloeigedrag van polymeren te karakteriseren

De verwerkingseigenschappen van polymeren zijn ook afhankelijk van de concentratie smeermiddelen, weekmakers, vulstoffen en andere componenten in de te verwerken verbinding. Uit deze korte inleiding blijkt dat voor een goede karakterisering van het vloeigedrag van polymeren waarschijnlijk geavanceerde en veelzijdige instrumenten nodig zijn.

Vanuit het oogpunt van de reoloog kan het stromingsgedrag van polymeren eenvoudig worden gescheiden in drie componenten: Schuif- en extensievloei, die worden gekarakteriseerd door de bijbehorende viscositeiten en elastisch gedrag, dat wordt gekarakteriseerd door het meten van modulus of zwelratio's [1].

De juiste instrumenten zijn essentieel

Om een materiaal volledig te karakteriseren, is instrumentatie nodig die deze parameters kan extraheren over een bereik van temperaturen en afschuif-/uitreksnelheden. Moderne laboratoriumreologische testapparatuur kan worden onderverdeeld in twee grote categorieën: Kinexus rotatie reometers en Rosand capillaire reometers. Bovendien geeft thermische analyse-instrumentatie zoals Differential Scanning Calorimetry, Dynamic Mechanical Analysis en Thermomechanical Analysis ook waardevolle inzichten in materiaaleigenschappen.

In het volgende artikel leest u hoe onze Kinexus rotatiereometer kan worden gebruikt om thermoplasten te karakteriseren.

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!