Introdução
Um reômetro rotacional pode fazer medições sob taxas ou tensões de cisalhamento definidas tanto em viscosimetria (em que a placa superior gira) quanto em oscilação (em que as placas superiores oscilam em uma frequência especificada). Embora a viscosidade de cisalhamento seja o resultado mais comumente desejado de um experimento rotacional, o teste de oscilação fornece informações sobre as propriedades viscoelásticas da amostra, particularmente sua viscosidade complexa (ŋ*) obtida de sua rigidez complexa (G*)[1].
A seguir, o polipropileno foi medido usando viscosimetria e oscilação, e a viscosidade de cisalhamento (ŋ) foi comparada com sua viscosidade complexa (ŋ*).
Tabela 1: Parâmetros de teste da medição rotacional
| Dispositivo | Kinexus ultra+ com câmara aquecida eletricamente | |
| Geometria | CP2/20 (placa cônica, ângulo: 2°, diâmetro: 20 mm) | |
| Temperatura | ||
| Espaço de medição | 66 μm | |
| Taxas de cisalhamento (-γ) | 0.01 a 10 s-1 | |
Medição rotacional em polipropileno
Uma medição rotacional foi realizada em pellets de polipropileno usando o reômetro NETZSCH Kinexus ultra+. A Tabela 1 detalha as condições de medição.
A Figura 1 exibe as curvas resultantes da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento (σ, verde) e da viscosidade de cisalhamento (ŋ, azul) para as taxas de cisalhamento programadas. Na faixa de baixa taxa de cisalhamento, o aumento da EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento com o aumento das taxas de cisalhamento é linear e a viscosidade de cisalhamento é quase constante: esse é o platô newtoniano do material.
Por volta de 0,1 s-1, a viscosidade de cisalhamento começa a diminuir com o aumento das taxas de cisalhamento. A inclinação muda; isso é uma indicação de um comportamento de afinamento por cisalhamento mais pronunciado. Entretanto, uma olhada na curva de estado estável (que é uma indicação de fluxo independente do tempo dentro da amostra, Figura 2, preto) mostra que, acima dessa taxa de cisalhamento, o fluxo não é mais independente do tempo. É possível garantir que a medição resulte em valores corretos de viscosidade de cisalhamento verificando os valores de fluxo constante: Eles são iguais a 1 para um fluxo laminar e independente do tempo. Aqui, o aumento da curva prova que os valores de viscosidade de cisalhamento exibidos não são mais confiáveis na última década.
Qual é a origem desse comportamento? Uma olhada na Figura 3 fornece a resposta. Além da viscosidade de cisalhamento (azul), a EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão de cisalhamento (verde) é plotada junto com a primeira diferença de EstirpeA deformação descreve uma deformação de um material, que é carregado mecanicamente por uma força ou estresse externo. Os compostos de borracha apresentam propriedades de deformação se uma carga estática for aplicada.tensão normal (N1, vermelho). O forte aumento na primeira diferença de tensão normal, N1, provavelmente resulta do efeito Weissenberg: As propriedades elásticas da amostra dominam as propriedades viscosas. A amostra tenta empurrar a geometria superior para cima (isso não é possível porque o espaço de medição permanece constante durante a medição). Esse efeito é destacado pela curva N1 que excede a curva de tensão de cisalhamento.
Como obter valores de viscosidade de cisalhamento: A regra de Cox-Merz
Nesses casos, em que a curva de viscosidade de cisalhamento não pode ser avaliada corretamente, a regra de Cox-Merz [2] é muito útil. Trata-se de uma relação empírica que afirma que, para a maioria dos polímeros fundidos, a viscosidade de cisalhamento (η) em função da taxa de cisalhamento (-γ [s-1]) é igual à viscosidade complexa (η* [Pa-s]) em função da frequência angular (ω [rad/s]). Essa segunda curva é obtida por uma medição de oscilação na qual a frequência é variada (varredura de frequência).
Primeiro, é realizada uma varredura de amplitude para determinar a deformação a ser usada durante a varredura de frequência. A deformação aplicada ao polímero deve ser baixa o suficiente para não levar a um colapso da estrutura da amostra. Em outras palavras, a deformação selected deve estar na faixa viscoelástica linear (Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER) da amostra, em que a deformação e a tensão estão relacionadas por uma relação linear.
A Tabela 2 detalha as condições das medições de oscilação realizadas em polipropileno.
A Figura 4 exibe as curvas resultantes dos módulos elástico e de perda e do ângulo de fase em função da deformação (Figura 4A) e da tensão de cisalhamento correspondente (Figura 4B). No início da medição, os módulos elástico e viscoso permanecem constantes: isso indica que a deformação aplicada não destrói a estrutura da amostra. Entretanto, a partir de uma tensão de cisalhamento de 20%, um aumento na amplitude leva a uma diminuição em ambos os módulos, enquanto o ângulo de fase aumenta. De acordo com a norma ISO 6721-10, o fim da Região viscoelástica linear (LVER)No LVER, as tensões aplicadas são insuficientes para causar ruptura estrutural (cedência) da estrutura e, portanto, importantes propriedades microestruturais estão sendo medidas.LVER é determinado na amplitude que leva a uma diminuição de 5% no valor de G'. Nesse caso, isso corresponde a um valor de 32%.
Tabela 2: Parâmetros de teste das medições de oscilação
Varredura de amplitude | Varredura de frequência | |
| Dispositivo | Kinexus ultra+ com câmara aquecida eletricamente | |
| Geometria | PP25 (placa, diâmetro: 25 mm) | PP25 |
| Temperatura da câmara | ||
| Espaço de medição | 1 mm | 1 mm |
| Frequência | 1 Hz | 10-3 a 10 Hz |
| Deformação por cisalhamento (γ*) | 1 a 100% | - |
| Tensão de cisalhamento (σ*) | - | 1.000 Pa |
As curvas obtidas durante a varredura de amplitude também podem ser exibidas como uma função da tensão de cisalhamento (Figura 4B). Para a varredura de frequência subsequente, uma tensão de cisalhamento de 1000 Pa foi aplicada à amostra.
A Figura 5 mostra a viscosidade de cisalhamento da medição rotacional (azul) junto com a viscosidade complexa da varredura de frequência (laranja). Ambas as curvas estão em boa concordância entre 10-2 e 2 rad/s. Isso confirma Conclusão A viscosidade de cisalhamento e a viscosidade complexa de uma massa fundida de polipropileno foram comparadas por meio de uma medição rotacional e de oscilação. Desde que um fluxo constante possa ser aplicado ao polímero, foi possível demonstrar uma boa concordância entre a viscosidade de cisalhamento e a viscosidade complexa. Esse comportamento é esperado com base na regra de Cox-Merz. Para taxas de cisalhamento mais altas, onde ocorrem instabilidades de fluxo, um fluxo estável não é mais alcançado. Aqui, a regra de Cox-Merz é de grande utilidade porque revela o conhecimento da viscosidade de cisalhamento usando a viscosidade complexa. Viscosidade de cisalhamento (η, azul) e viscosidade complexa (η*, laranja) durante as medições de rotação e oscilação em derretimentos de polipropileno fundido 5 os resultados discutidos acima: As instabilidades de fluxo que ocorrem em taxas de cisalhamento mais altas impedem que o fluxo seja independente do tempo. Consequentemente, não é possível obter resultados confiáveis com a medição rotacional. Entretanto, a aplicação de Cox-Merz permite a fácil determinação da viscosidade de cisalhamento em estado estável: Basta obter a viscosidade complexa como uma função da frequência angular após a realização de uma medição de oscilação.
Conclusão
A viscosidade de cisalhamento e a viscosidade complexa de uma massa fundida de polipropileno foram comparadas por meio de uma medição rotacional e de oscilação. Desde que um fluxo constante possa ser aplicado ao polímero, foi possível demonstrar uma boa concordância entre a viscosidade de cisalhamento e a viscosidade complexa. Esse comportamento é esperado com base na regra de Cox-Merz. Para taxas de cisalhamento mais altas, onde ocorrem instabilidades de fluxo, um fluxo estável não é mais alcançado. Nesse caso, a regra de Cox-Merz é de grande utilidade porque revela o conhecimento da viscosidade de cisalhamento usando a viscosidade complexa.