Badanie wpływu wilgotności na lepkość PA z wykorzystaniem reometrii kapilarnej

Wprowadzenie

Poliamid (PA), jako niezwykle ważne tworzywo konstrukcyjne, znajduje szerokie zastosowanie w takich dziedzinach jak produkcja części samochodowych, wyrobów elektronicznych, tekstyliów oraz materiałów opakowaniowych dzięki swoim doskonałym właściwościom mechanicznym, stabilności chemicznej i termicznej. Jednak pochłanianie wilgoci stanowi częsty problem podczas przetwarzania PA. Kontakt PA z wilgocią prowadzi do zmian jego właściwości fizycznych i chemicznych, zwłaszcza lepkości. Lepkość odgrywa kluczową rolę w przetwarzaniu polimerów, ponieważ determinuje zachowanie materiału PA pod względem płynięcia podczas przetwarzania. Dlatego zrozumienie zależności między zawartością wilgoci a lepkością ma zasadnicze znaczenie dla optymalizacji parametrów przetwarzania PA i zapewnienia jakości produktu końcowego.

Reometr kapilarny, jako powszechnie stosowane urządzenie do badania właściwości reologicznych materiałów polimerowych, pozwala precyzyjnie mierzyć właściwości reologiczne materiałów w szerokim zakresie prędkości ścinania i temperatur. W niniejszym badaniu wykorzystano reometr kapilarny Rosand RH10 firmy NETZSCH w celu systematycznego zbadania wpływu zawartości wody na lepkość PA. Daje to cenne informacje na temat wpływu wilgoci na właściwości reologiczne PA. Wyniki te nie tylko pomagają w optymalizacji warunków przetwarzania wysokowydajnych materiałów PA, ale także stanowią istotną wartość odniesienia dla postępu technologicznego w przemyśle przetwórstwa polimerów.

Warunki pomiaru i metoda badawcza

Warunki pomiaru przedstawiono szczegółowo w tabeli 1.

Tabela 1: Warunki pomiarowe

Po zamontowaniu matryc pod lewą komorą i odczekaniu, aż temperatura się ustabilizuje, do komory powoli dodawano granulki PA, poddano je wstępnemu sprężeniu do 1 MPa, a następnie podgrzewano w stałej temperaturze przez 5 minut. Po zakończeniu tego etapu sprężania rozpoczęto badanie.

Wyniki pomiarów i omówienie

Na rysunku 2 przedstawiono krzywe zależności pozornej lepkości ścinającej od pozornej prędkości ścinania dla próbek PA poddanych różnym obróbkom w temperaturze 280°C. Jak widać na rysunku, lepkość ścinająca niepoddanych obróbce i wysuszonych próbek PA stopniowo maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania, wykazując typowe zachowanie rozrzedzania ścinającego. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem szybkości ścinania nasila się rozplątanie łańcuchów makrocząsteczkowych PA, co prowadzi do gwałtownego spadku lepkości ścinającej.

Ponadto, ponieważ grupa amidowa w głównym łańcuchu cząsteczkowym PA jest grupą polarną zdolną do tworzenia wiązań wodorowych z cząsteczkami wody, PA wykazuje bardzo silną zdolność do wchłaniania wody. Jak widać również na rysunku 2, lepkość ścinająca niepoddanej obróbce próbki PA jest niższa niż w przypadku próbki PA poddanej obróbce. Wynika to przede wszystkim z wyższej zawartości wody w niepoddanej obróbce próbce PA.

Jednak cząsteczki wody mogą tworzyć wiązania wodorowe z grupami amidowymi, zastępując wiązania wodorowe między łańcuchami molekularnymi. Powoduje to zmniejszenie gęstości międzyłańcuchowych wiązań wodorowych, działając jako fizyczny plastyfikator (o czym świadczy niższa wartość_Tg na krzywej DSC próbki niepoddanej obróbce na rysunku 3), zwiększając tym samym ruchliwość segmentów łańcucha PA, tj. zmniejszając opór przed względnym poślizgiem łańcuchów molekularnych PA podczas płynięcia. W konsekwencji zmniejsza się lepkość ścinająca stopionego PA. Z drugiej strony PA jest produktem otrzymywanym w wyniku kondensacji dehydratacyjnej. W wysokich temperaturach cząsteczki wody mogą wchodzić w reakcję chemiczną z wiązaniami amidowymi w łańcuchach molekularnych PA, co prowadzi do rozszczepienia łańcuchów. Jest to również reakcja odwrotna do jego syntezy. Zmniejszenie masy cząsteczkowej PA nieuchronnie prowadzi do spadku lepkości ścinającej stopu.