Wprowadzenie
Szybkość ścinania w pomiarach reologicznych zależy od zastosowania. W szybkich procesach, takich jak natryskiwanie, gdzie materiał jest szybko przepychany przez otwór, występują wysokie szybkości ścinania do 100 000 s-1. Przeciwnie, wytłaczanie polimeru, który ma znacznie wyższą lepkość, odbywa się przy znacznie niższych prędkościach; zazwyczaj ponad 1000 razy niższych. Jeszcze niższe szybkości ścinania są używane do opisania bardzo powolnych procesów, takich jak wyrównywanie.
Wersje reometru
Wybór reometru zależy od wymaganej szybkości ścinania. Podczas gdy Kinexus, jako reometr rotacyjny, jest przyrządem z wyboru do pomiaru w zakresie niskich szybkości ścinania, można użyć reometru kapilarnego Rosand, aby osiągnąć wysokie szybkości ścinania do 1 000 000 s-1.
Poniżej przedstawiono krzywą lepkości materiału polipropylenowego uzyskaną w ciągu prawie 7 dekad. W tym celu użyto zarówno reometru rotacyjnego NETZSCH Kinexus, jak i reometru kapilarnego NETZSCH Rosand (patrz warunki pomiaru w tabeli 1).
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Instrument | Kinexus |
|---|---|
| Próbka | Polipropylen |
| Geometria | płytka-płytka, średnica: 25 mm |
| Temperatura | 190°C |
| Szczelina pomiarowa | 1 mm |
| Częstotliwość | 10-3 do 10 Hz |
| Naprężenie ścinające | 1,000 Pa |
| Instrument | Rosand |
|---|---|
| Temperatura | 190°C |
| Matryca kapilarna | Średnica: 1 mm i 0,5 mm, długość: 16 mm |
| Matryca zerowa | Średnica: 1 mm i 0,5 mm, Długość: 0,25 mm |
| Strona kapilarna przetwornika ciśnienia | 10 000 psi (689,5 bar) |
| Przetwornik ciśnienia po stronie zerowej | 1 500 psi (103,4 bar) |
Uwagi dotyczące warunków pomiaru
- Kinexus Reometr rotacyjny
Przeprowadzono przemiatanie częstotliwości, a nie, jak mogłoby się wydawać, pomiar rotacji. W tym przypadku zastosowano regułę Coxa-Merza, która stanowi, że dla niewypełnionych polimerów złożona lepkość ścinania w funkcji częstotliwości daje takie same wartości jak lepkość ścinania w funkcji szybkości ścinania. Pomiary oscylacji mają tę przewagę nad pomiarami rotacji, że materiał jest mierzony w spoczynku. W ten sposób polimer nie jest poddawany działaniu sił odśrodkowych i nie wydostaje się ze szczeliny, co może się zdarzyć podczas pomiarów obrotowych przy wysokich szybkościach ścinania. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w Notach aplikacyjnych 236 i 243 [1, 2]. - Reometr kapilarny Rosand
Matryca o średnicy 1 mm została użyta do uzyskania szybkości ścinania do 10 000 s-1, podczas gdy wyższe szybkości ścinania osiągnięto za pomocą matrycy o średnicy 0,5 mm.
Wyniki pomiarów
Rysunek 1 przedstawia złożoną krzywą lepkości polipropylenu zmierzoną w reometrze rotacyjnym i kapilarnym. W zakresie niskich szybkości ścinania materiał wykazuje zachowanie newtonowskie: Lepkość ścinania nie zależy od szybkości ścinania. W tym płaskowyżu zerowego ścinania lepkość ścinania wynosi 4400 Pa-s.
Przy wyższych szybkościach ścinania polimer jest rozrzedzany ścinaniem: Jego lepkość przy ścinaniu maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania. W tym zakresie przyłożone naprężenie ścinające jest wystarczająco wysokie, aby rozdzielić łańcuchy polimeru. Mogą się one ślizgać względem siebie, ułatwiając przepływ i wyjaśniając spadek lepkości przy ścinaniu.
Wnioski
Dzięki tej unikalnej kombinacji pomiarów reometrem rotacyjnym i kapilarnym, oferowanej przez NETZSCH, można uzyskać bardzo szerokie zakresy szybkości ścinania. Jest to ważne na przykład w przypadku polimerów, ponieważ ich zachowanie silnie zależy od szybkości ścinania, której są poddawane.