Podstawy reologii tworzyw termoplastycznych

Reologia to nauka zajmująca się badaniem przepływu i deformacji materiałów, której korzenie sięgają praw sprężystości i lepkości zaproponowanych przez Hooke'a i Newtona pod koniec^XVII wieku. Termoplastyczne stopione polimery są szeroko stosowane w wielu nowoczesnych procesach przemysłowych do produkcji wielu przedmiotów. Polimery są stosowane, ponieważ są stosunkowo tanie w formowaniu złożonych kształtów w stanie stopionym. Musimy jednak zrozumieć, w jaki sposób płyną one podczas przetwarzania [1].

Czynniki wpływające na płynność polimerów

Polimery są skomplikowanymi materiałami do scharakteryzowania reologicznego, ponieważ istnieje wiele czynników, które wpływają na ich właściwości płynięcia. Przykłady czynników wpływających na zachowanie przepływu mogą obejmować temperaturę przetwarzania, szybkość przepływu, czas przebywania itp.

Ponadto właściwości reologiczne polimerów znajdują się pomiędzy właściwościami cieczy i ciała stałego. Prowadzi to do zależności właściwości przepływu od czasu i innych ważnych cech, z których niektóre omówiono poniżej [1].

Ważne właściwości reologiczne polimerów

Wiadomo, żelepkość stopu jest krytycznie zależna od temperatury. Obniżając temperaturę formy, aż produkowana część będzie miała matowe wykończenie, inżynier procesu może poznać minimalną temperaturę (a tym samym maksymalną lepkość żywicy), przy której proces może być prowadzony bez widocznych defektów powierzchni. Obniżenie temperatury formy oszczędza energię i może skrócić czas cyklu, więc zrozumienie zależności lepkości stopu od temperatury jest bardzo przydatne.

Wiadomo, że stopione polimery wykazują pęcznienie podczas wytłaczania. Zjawisko to objawia się zwiększeniem średnicy wytłoczyny po wyjściu z matrycy. Wielkość pęcznienia matrycy jest związana z wielkością odkształcenia sprężystego materiału na wlocie do matrycy. Kolejnym faktem, który należy wziąć pod uwagę, jest to, że stopień spęcznienia matrycy (bardziej poprawnie spęcznienia ekstrudatu) zależy od długości matrycy, gdy materiał jest wytłaczany ze stałą wydajnością. Innymi słowy, stopione polimery wykazują zależność od czasu, ponieważ materiał zapomina o sprężystym odkształceniu zastosowanym przy wejściu do matrycy, im więcej czasu materiał spędza w matrycy, tym mniejsze pęcznienie matrycy.

Elastyczność stop u może mieć również głębokie implikacje dla wielu innych procesów polimerowych, takich jak:

• Formowanie z rozdmuchiwaniem, gdzie grubość ścianki rozdmuchiwanego elementu zależy od stopnia spęcznienia, które miało miejsce podczas procesu wytłaczania przed zamknięciem formy.
• Formowanie próżniowe lub termoformowanie, gdzie polimer musi zachować pewien stopień elastyczności, aby zapobiec ugięciu materiału przed przeciągnięciem go przez próżnię nad matrycą formującą na zimno. Jeśli materiał nie ma wystarczającej elastyczności, prawdopodobnie wejdzie w kontakt z chłodzoną matrycą przed zastosowaniem próżni lub ciśnienia [1].

Jak scharakteryzować zachowanie przepływu stopionego polimeru?

Właściwości przetwarzania polimerów zależą również od stężenia smarów, plastyfikatorów, wypełniaczy i innych składników w przetwarzanym związku. Z tego krótkiego wprowadzenia można zrozumieć, że właściwa charakterystyka zachowania płynięcia stopionego polimeru będzie prawdopodobnie wymagać zaawansowanego i wszechstronnego oprzyrządowania.

Z punktu widzenia reologa, zachowanie przepływu polimeru można wygodnie podzielić na trzy elementy: Przepływy ścinające i rozciągające, które charakteryzują się odpowiednimi lepkościami i zachowaniem sprężystym, które charakteryzuje się pomiarem modułów lub współczynników pęcznienia [1].

Właściwe oprzyrządowanie jest kluczowe

Aby w pełni scharakteryzować materiał, wymagane jest oprzyrządowanie, które ma możliwość wyodrębnienia tych parametrów w zakresie temperatur i szybkości ścinania/rozciągania. Nowoczesną laboratoryjną aparaturę do badań reologicznych można podzielić na dwie szerokie kategorie: reometry rotacyjne Kinexus i reometry kapilarne Rosand. Ponadto oprzyrządowanie do analizy termicznej, takie jak różnicowa kalorymetria skaningowa, dynamiczna analiza mechaniczna i analiza termomechaniczna, również umożliwia cenny wgląd we właściwości materiału.

W następnym artykule dowiesz się, w jaki sposób nasz reometr rotacyjny Kinexus może być wykorzystywany do charakteryzowania tworzyw termoplastycznych.

Źródło

[1] Badania reologiczne polimerów i określanie właściwości przy użyciu reometrów rotacyjnych i reometrów kapilarnych (azom.com)

Podziękowania dla dr Boba Marsha (byłego pracownika Malvern Panalytical) jako oryginalnego autora tego artykułu!