Introducere
Un reometru rotațional poate efectua măsurători la viteze sau tensiuni de forfecare definite atât în viscometrie (când placa superioară se rotește), cât și în oscilație (când placa superioară oscilează la o frecvență specificată). În timp ce vâscozitatea de forfecare este adesea rezultatul cel mai frecvent dorit de la un experiment rotațional, testul de oscilație furnizează informații despre proprietățile viscoelastice ale probei, în special vâscozitatea complexă (ŋ*) obținută din rigiditatea complexă (G*)[1].
În cele ce urmează, polipropilena a fost măsurată atât prin viscometrie, cât și prin oscilație, iar vâscozitatea de forfecare (ŋ) a fost comparată cu vâscozitatea sa complexă (ŋ*).
Tabelul 1: Parametrii de testare ai măsurării rotației
| Dispozitiv | Kinexus ultra+ cu cameră încălzită electric | |
| Geometrie | CP2/20 (placă conică, unghi: 2°, diametru: 20 mm) | |
| Temperatura | ||
| Spațiu de măsurare | 66 μm | |
| Ratele de forfecare (-γ) | 0.01 până la 10 s-1 | |
Măsurarea rotației pe polipropilenă
S-a efectuat o măsurare prin rotație pe granule de polipropilenă utilizând reometrul NETZSCH Kinexus ultra+. Tabelul 1 detaliază condițiile de măsurare.
Figura 1 prezintă curbele rezultate ale tensiunii de forfecare (σ, verde) și ale vâscozității de forfecare (ŋ, albastru) pentru vitezele de forfecare programate. În intervalul de viteze de forfecare scăzute, creșterea tensiunii de forfecare cu creșterea vitezelor de forfecare este liniară, iar vâscozitatea de forfecare este aproape constantă: acesta este platoul newtonian al materialului.
În jurul valorii de 0,1 s-1, vâscozitatea de forfecare începe să scadă odată cu creșterea vitezei de forfecare. Panta se schimbă; acesta este un indiciu al unui comportament de subțiere prin forfecare mai pronunțat. Cu toate acestea, o privire asupra curbei în regim staționar (care indică o curgere independentă de timp în interiorul probei, figura 2, negru) arată că, peste această rată de forfecare, curgerea nu mai este independentă de timp. Se asigură că măsurarea conduce la valori corecte ale vâscozității de forfecare prin verificarea valorilor fluxului staționar: Acestea sunt egale cu 1 pentru un flux laminar, independent de timp. Aici, creșterea curbei dovedește că valorile afișate ale vâscozității de forfecare nu mai sunt fiabile în ultimul deceniu.
De unde provine acest comportament? O privire la figura 3 oferă răspunsul. Pe lângă vâscozitatea de forfecare (albastru), este reprezentată și tensiunea de forfecare (verde) împreună cu prima diferență de tensiune normală (N1, roșu). Creșterea puternică a diferenței primei tensiuni normale, N1, rezultă cel mai probabil din efectul Weissenberg: Proprietățile elastice ale probei domină proprietățile vâscoase. Proba încearcă să împingă în sus geometria superioară (acest lucru nu este posibil deoarece spațiul de măsurare rămâne constant în timpul măsurătorii). Acest efect este evidențiat de curba N1 care depășește curba tensiunii de forfecare.
Cum se obțin valorile vâscozității de forfecare: Regula Cox-Merz
În astfel de cazuri, când curba vâscozității de forfecare nu poate fi evaluată corect, regula Cox-Merz [2] este foarte utilă. Aceasta este o relație empirică care afirmă că, pentru majoritatea topiturilor polimerice, vâscozitatea de forfecare (η) în funcție de rata de forfecare (-γ [s-1]) este egală cu vâscozitatea complexă (η* [Pa-s]) în funcție de frecvența unghiulară (ω [rad/s]). Această a doua curbă este obținută printr-o măsurare a oscilației în care frecvența este variată (frequency sweep).
În primul rând, se efectuează o scanare a amplitudinii pentru a determina deformarea care urmează să fie utilizată în timpul scanării frecvenței. Deformația aplicată polimerului trebuie să fie suficient de mică pentru a nu conduce la o rupere a structurii probei. Cu alte cuvinte, deformarea selectată trebuie să se afle în domeniul vâscoelastic liniar (Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER) al probei, unde deformarea și tensiunea sunt legate printr-o relație liniară.
Tabelul 2 detaliază condițiile măsurătorilor de oscilație efectuate pe polipropilenă.
Figura 4 prezintă curbele rezultante ale modulelor elastic, de pierdere și ale unghiului de fază în funcție de deformare (figura 4A) și de tensiunea de forfecare corespunzătoare (figura 4B). La începutul măsurătorii, modulele elastic și vâscos rămân constante: aceasta indică faptul că deformarea aplicată nu distruge structura probei. Cu toate acestea, de la o deformație de forfecare de 20 %, o creștere a amplitudinii conduce la o scădere a ambelor module, în timp ce unghiul de fază crește. În conformitate cu ISO 6721-10, sfârșitul Regiunea vâscoelastică liniară (LVER)În LVER, tensiunile aplicate sunt insuficiente pentru a provoca ruperea structurală (cedare) a structurii și, prin urmare, se măsoară proprietăți micro-structurale importante.LVER este determinat la amplitudinea care conduce la o scădere de 5% a valorii G´. În acest caz, aceasta corespunde unei valori de 32%.
Tabelul 2: Parametrii de testare ai măsurătorilor de oscilație
Amplitudine de baleiaj | Baleiaj de frecvență | |
| Dispozitiv | Kinexus ultra+ cu cameră încălzită electric | |
| Geometrie | PP25 (placă-placă, diametru: 25 mm) | PP25 |
| Temperatura | ||
| Spațiu de măsurare | 1 mm | 1 mm |
| Frecvența | 1 Hz | 10-3 până la 10 Hz |
| Deformație de forfecare (γ*) | 1 până la 100% | - |
| Tensiune de forfecare (σ*) | - | 1,000 Pa |
Curbele obținute în timpul scanării amplitudinii pot fi, de asemenea, afișate în funcție de tensiunea de forfecare (figura 4B). Pentru scanarea ulterioară a frecvenței, a fost aplicată probei o tensiune de forfecare de 1 000 Pa.
Figura 5 prezintă vâscozitatea de forfecare obținută din măsurarea rotației (albastru), împreună cu vâscozitatea complexă obținută din baleierea de frecvență (portocaliu). Ambele curbe sunt în bună concordanță între 10-2 și 2 rad/s. Vâscozitatea de forfecare și vâscozitatea complexă ale unui topitură de polipropilenă au fost comparate prin intermediul unei măsurători prin rotație și a unei măsurători prin oscilație. Atâta timp cât polimerului i se poate aplica un flux constant, s-a putut demonstra o bună concordanță între vâscozitatea de forfecare și vâscozitatea complexă. Acest comportament este așteptat din regula Cox-Merz. Pentru viteze de forfecare mai mari, unde apar instabilități de curgere, nu se mai ajunge la o curgere constantă. În acest caz, regula Cox-Merz este foarte utilă, deoarece relevă cunoașterea vâscozității de forfecare cu ajutorul vâscozității complexe. Vâscozitatea de forfecare (η, albastru) și vâscozitatea complexă (η*, portocaliu) în timpul măsurătorilor prin rotație și oscilație pe topituri de polipropilenă topită 5 rezultatele discutate mai sus: Instabilitățile de curgere care apar la rate de forfecare mai mari împiedică curgerea să fie independentă de timp. În consecință, nu se pot obține rezultate fiabile cu măsurarea rotației. Cu toate acestea, aplicarea Cox-Merz permite determinarea ușoară a vâscozității de forfecare în regim staționar: Trebuie doar să se obțină vâscozitatea complexă în funcție de frecvența unghiulară după efectuarea unei măsurători de oscilație.
Concluzie
Vâscozitatea de forfecare și vâscozitatea complexă a unui topitură de polipropilenă au fost comparate prin intermediul unei măsurători prin rotație și oscilație. Atâta timp cât polimerului i se poate aplica un flux constant, s-a putut demonstra o bună concordanță între vâscozitatea de forfecare și vâscozitatea complexă. Acest comportament este așteptat din regula Cox-Merz. Pentru viteze de forfecare mai mari, unde apar instabilități de curgere, nu se mai ajunge la o curgere constantă. În acest caz, regula Cox-Merz este foarte utilă, deoarece relevă cunoașterea vâscozității de forfecare cu ajutorul vâscozității complexe.