Estudo da relação entre a viscosidade e a temperatura do PP por meio da reometria capilar

Introdução

O polipropileno (PP), como um plástico de uso geral de grande importância, tem sido amplamente utilizado nas indústrias automotiva, de embalagens, eletrônica, têxtil e outras, devido às suas excelentes propriedades mecânicas, estabilidade química e desempenho no processamento. No entanto, para otimizar ainda mais o processamento de materiais de PP e melhorar a qualidade e o desempenho do produto, é de grande importância prática realizar investigações aprofundadas sobre o comportamento reológico do PP.

A viscosidade, como um indicador crítico do comportamento de escoamento dos polímeros, está intimamente relacionada ao processamento do material. Em diferentes processos de fabricação, o PP precisa escoar e assumir forma dentro de faixas específicas de temperatura. Portanto, a compreensão precisa de como a viscosidade do PP varia com a temperatura permite que os engenheiros controlem com precisão os parâmetros de processamento, garantindo a fluidez ideal e a qualidade da moldagem do PP durante a produção.

O reômetro capilar, um instrumento de ensaio reológico classic, é amplamente utilizado na pesquisa de polímeros devido à sua capacidade de medir as propriedades reológicas dos materiais em uma ampla faixa de taxas de cisalhamento e temperaturas. Neste estudo, foi empregado um reômetro capilar Rosand RH10 da NETZSCH (Figura 1) para investigar sistematicamente os efeitos da temperatura e da taxa de cisalhamento sobre a viscosidade do material fundido e a energia de ativação do fluxo viscoso do PP. Os resultados fornecem uma base teórica para otimizar os parâmetros de processamento do PP, aprimorando, em última instância, a qualidade e o desempenho dos produtos de PP.

Condições de medição e método de ensaio

As condições de medição estão detalhadas na Tabela 1.

Tabela 1: Condições de medição

Após instalar as matrizes abaixo do cilindro esquerdo e aguardar a estabilização da temperatura, os grânulos de PP foram adicionados lentamente ao cilindro, submetidos a pressão de 1 MPa e, em seguida, pré-aquecidos a uma temperatura constante por 5 minutos. Posteriormente, o instrumento realizou o teste automaticamente, aplicando a taxa de cisalhamento e registrando a pressão.

Resultados das medições e discussão

A Figura 2 apresenta as curvas de viscosidade de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento de amostras de PP em diferentes temperaturas. Como pode ser observado na Figura 2, a viscosidade de cisalhamento das amostras de PP em todas as condições de temperatura diminui gradualmente com o aumento da taxa de cisalhamento, demonstrando um comportamento típico de Desbaste por cisalhamentoO tipo mais comum de comportamento não newtoniano é o afinamento por cisalhamento ou fluxo pseudoplástico, em que a viscosidade do fluido diminui com o aumento do cisalhamento.diluição por cisalhamento. Esse fenômeno ocorre porque o desenredamento das cadeias macromoleculares do PP se intensifica com taxas de cisalhamento mais elevadas, levando a um rápido declínio na viscosidade de cisalhamento. No entanto, com o aumento adicional da taxa de cisalhamento, a eficácia 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 em promover o desenredamento macromolecular diminui, resultando na desaceleração da tendência de queda da viscosidade de cisalhamento.

Além disso, a viscosidade de cisalhamento das amostras de PP diminui significativamente com o aumento da temperatura, para a mesma taxa de cisalhamento. Isso se deve ao fato de que, à medida que a temperatura aumenta, o volume livre da massa fundida de PP aumenta, o que aumenta a mobilidade dos segmentos da cadeia e diminui a força de interação intermolecular, melhorando assim a fluidez do PP. No entanto, a diferença nos valores de viscosidade de cisalhamento em diferentes temperaturas diminui visivelmente quando a taxa de cisalhamento excede 500 ^s-1. Especialmente quando a taxa de cisalhamento é aumentada para 5.000 ^s⁻¹, as curvas de viscosidade de cisalhamento em diferentes temperaturas tendem a se sobrepor, e a tendência de diminuição da viscosidade de cisalhamento se torna mais lenta. Isso indica que, além de uma taxa de cisalhamento crítica, a sensibilidade da viscosidade de cisalhamento do PP à temperatura diminui, sugerindo uma janela de temperatura de processamento ampliada para o PP dentro dessa faixa de taxa de cisalhamento.

A energia de ativação do fluxo viscoso (_Eη) é um indicador da sensibilidade da viscosidade de cisalhamento aparente de uma massa fundida de polímero à temperatura. Um valor mais alto _{de Eη} significa maior sensibilidade da viscosidade da massa fundida às variações de temperatura, enquanto um valor mais baixo sugere menor dependência da temperatura. _Eη pode ser calculada utilizando a equação de Arrhenius (1):

onde _ηa é a viscosidade da massa fundida; _Eη é a energia de ativação do fluxo viscoso; R é a constante dos gases (8,314 ^{J·mol⁻¹·K⁻¹}); A é uma constante independente da temperatura.

Com base nos dados medidos na Figura 2, foram traçados e ajustados gráficos de _lgηa em função de 1/T. Consequentemente, as curvas de relação _lgηa ~ 1/T em diferentes taxas de cisalhamento são apresentadas na Figura 3, com os valores específicos listados na Tabela 2. Conforme mostrado, o Eη do PP em várias taxas de cisalhamento pode ser determinado a partir das inclinações das curvas lineares ajustadas na Figura 3, com os valores específicos listados na Tabela 2. _{O Eη} do PP diminui com o aumento da taxa de cisalhamento dentro da faixa de temperatura testada. Isso indica que a viscosidade de cisalhamento da massa fundida de PP é menos sensível à temperatura em altas taxas de cisalhamento. Do ponto de vista da dinâmica molecular, esse fenômeno pode ser explicado pelo fato de que as forças de cisalhamento externas rompem o entrelaçamento entre as moléculas de PP, diminuindo assim a sensibilidade da viscosidade de cisalhamento à temperatura. Isso se reflete nas curvas de viscosidade (Figura 2), onde as curvas em diferentes temperaturas quase se sobrepõem em altas taxas de cisalhamento. Portanto, o aumento da temperatura mostra-se menos eficaz na redução da viscosidade de cisalhamento da massa fundida de PP em altas taxas de cisalhamento. Em contrapartida, em baixas taxas de cisalhamento, elevar a temperatura pode melhorar significativamente a fluidez do PP, reduzindo assim o consumo de energia durante o processamento.

Tabela 2:_Eη do PP em diferentes taxas de cisalhamento

Conclusão

Nesta Nota de Aplicação, as propriedades reológicas do PP em diferentes temperaturas e taxas de cisalhamento foram investigadas utilizando um reômetro capilar Rosand RH10. Em taxas de cisalhamento relativamente baixas (10 a 500 ^s⁻¹), a viscosidade de cisalhamento do PP diminui significativamente com o aumento da taxa de cisalhamento, enquanto que em altas taxas de cisalhamento (500 a 10.000 ^s⁻¹), a redução na viscosidade de cisalhamento torna-se mais gradual. Além disso, _{o Eη} do PP diminui com o aumento da taxa de cisalhamento, indicando que taxas de cisalhamento mais altas reduzem efetivamente a sensibilidade à temperatura da viscosidade do PP fundido.