Wprowadzenie
Polipropylen (PP), jako kluczowe tworzywo sztuczne ogólnego zastosowania, znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, opakowaniowym, elektronicznym, tekstylnym i innych gałęziach przemysłu ze względu na swoje doskonałe właściwości mechaniczne, stabilność chemiczną oraz właściwości przetwórcze. Jednak w celu dalszej optymalizacji przetwarzania materiałów z PP oraz poprawy jakości i właściwości produktów ogromne znaczenie praktyczne ma przeprowadzenie dogłębnych badań zachowań reologicznych PP.
Lepkość, jako kluczowy wskaźnik zachowania się polimeru podczas płynięcia, jest ściśle powiązana z przetwarzaniem materiału. W różnych procesach produkcyjnych PP musi płynąć i przyjmować określony kształt w określonych zakresach temperatur. Dlatego dokładne zrozumienie, w jaki sposób lepkość PP zmienia się wraz z temperaturą, umożliwia inżynierom precyzyjną kontrolę parametrów przetwarzania, zapewniając optymalną płynność i jakość formowania PP podczas produkcji.
Reometr kapilarny, przyrząd do badań reologicznych firmy classic, jest szeroko stosowany w badaniach polimerów ze względu na możliwość pomiaru właściwości reologicznych materiałów w szerokim zakresie prędkości ścinania i temperatur. W niniejszym badaniu wykorzystano reometr kapilarny Rosand RH10 firmy NETZSCH (rysunek 1) w celu systematycznego zbadania wpływu temperatury i szybkości ścinania na lepkość stopu oraz energię aktywacji przepływu lepkiego PP. Wyniki badań stanowią teoretyczną podstawę do optymalizacji parametrów przetwarzania PP, co ostatecznie przyczynia się do poprawy jakości i właściwości użytkowych produktów z PP.
Warunki pomiarowe i metoda badawcza
Warunki pomiaru przedstawiono szczegółowo w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiarowe
| Urządzenie | NETZSCH Rosand RH10 |
| Próbki | PP |
Czujnik ciśnienia przetwornik | 10 000 psi |
| Specyfikacja matrycy | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Temperatura testowa | 180°C/190°C/200°C/210°C/220°C |
| Zakres prędkości ścinania | 10 – 10 000 s⁻¹ |
Po zamontowaniu matryc pod lewą cylindryczną komorą i poczekaniu, aż temperatura się ustabilizuje, do komory powoli dodawano granulki PP, zwiększano ciśnienie do 1 MPa, a następnie podgrzewano je w stałej temperaturze przez 5 minut. Następnie urządzenie automatycznie przeprowadziło badanie, stosując określoną szybkość ścinania i rejestrując ciśnienie.
Wyniki pomiarów i omówienie
Na rysunku 2 przedstawiono krzywe zależności lepkości ścinającej od szybkości ścinania dla próbek PP w różnych temperaturach. Jak widać na rysunku 2, lepkość ścinająca próbek PP we wszystkich warunkach temperaturowych stopniowo maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co świadczy o typowym zachowaniu rozrzedzania pod wpływem ścinania. Zjawisko to wynika z faktu, że rozplątanie łańcuchów makrocząsteczkowych PP nasila się wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co prowadzi do gwałtownego spadku lepkości ścinającej. Jednak wraz z dalszym wzrostem szybkości ścinania skuteczność naprężenia ścinającego w sprzyjaniu rozplątywaniu się łańcuchów makrocząsteczkowych maleje, co powoduje spowolnienie tendencji spadkowej lepkości ścinającej.
Ponadto lepkość ścinająca próbek PP znacznie maleje wraz ze wzrostem temperatury przy tej samej szybkości ścinania. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się wolna objętość stopionego PP, co zwiększa ruchliwość segmentów łańcuchów i zmniejsza siłę oddziaływania międzycząsteczkowego, poprawiając w ten sposób płynność PP. Jednak różnica w wartościach lepkości ścinającej w różnych temperaturach zmniejsza się zauważalnie, gdy prędkość ścinania przekracza 500 s⁻¹. Szczególnie po zwiększeniu szybkości ścinania do 5000 s⁻¹, krzywe lepkości ścinającej w różnych temperaturach mają tendencję do nakładania się, a tendencja spadkowa lepkości ścinającej ulega spowolnieniu. Wskazuje to, że powyżej krytycznego szybkości ścinania wrażliwość lepkości ścinającej PP na temperaturę maleje, co sugeruje poszerzenie zakresu temperatur przetwarzania PP w tym przedziale szybkości ścinania.
Energia aktywacji przepływu lepkiego (Eη) jest wskaźnikiem wrażliwości pozornej lepkości ścinającej stopu polimeru na temperaturę. Wyższa wartość Eη oznacza większą wrażliwość lepkości stopu na zmiany temperatury, natomiast niższa wartość sugeruje mniejszą zależność od temperatury. Eη można obliczyć za pomocą równania Arrheniusa (1):
gdzie ηa oznacza lepkość stopu; Eη to energia aktywacji przepływu lepkiego; R to stała gazowa (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A to stała niezależna od temperatury.
Na podstawie danych zmierzonych na rysunku 2 sporządzono i dopasowano wykresy lgηa w funkcji 1/T. W rezultacie krzywe zależności lgηa ~ 1/T dla różnych prędkości ścinania przedstawiono na rysunku 3, a konkretne wartości podano w tabeli 2. Jak widać, Eη polipropylenu (PP) przy różnych prędkościach ścinania można określić na podstawie nachyleń dopasowanych krzywych liniowych na rysunku 3, a konkretne wartości podano w tabeli 2. Eη PP maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania w badanym zakresie temperatur. Wskazuje to, że lepkość ścinająca stopionego PP jest mniej wrażliwa na temperaturę przy wysokich prędkościach ścinania. Z punktu widzenia dynamiki molekularnej zjawisko to można wyjaśnić tym, że zewnętrzne siły ścinające rozbijają splątanie cząsteczek PP, zmniejszając w ten sposób wrażliwość lepkości ścinającej na temperaturę. Znajduje to odzwierciedlenie w krzywych lepkości (rysunek 2), gdzie krzywe dla różnych temperatur niemal się pokrywają przy wysokich prędkościach ścinania. W związku z tym wzrost temperatury okazuje się mniej skuteczny w zmniejszaniu lepkości ścinającej stopionego PP przy wysokich prędkościach ścinania. Natomiast przy niskich prędkościach ścinania podwyższenie temperatury może znacznie poprawić płynność PP, zmniejszając tym samym zużycie energii podczas przetwarzania.
Tabela 2:Eη tworzywa PP przy różnych prędkościach ścinania
| Szybkość ścinania (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 |
Wnioski
W niniejszej notatce aplikacyjnej zbadano właściwości reologiczne PP w różnych temperaturach i przy różnych prędkościach ścinania przy użyciu reometru kapilarnego Rosand RH10. Przy stosunkowo niskich prędkościach ścinania (od 10 do 500 s⁻¹) lepkość ścinająca PP znacznie maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania, natomiast przy wysokich prędkościach ścinania (od 500 do 10 000 s⁻¹) spadek lepkości ścinającej staje się bardziej stopniowy. Ponadto Eη polipropylenu maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania, co wskazuje, że wyższe szybkości ścinania skutecznie zmniejszają wrażliwość lepkości stopu polipropylenu na temperaturę.