Efectul temperaturii asupra vâscozității și vâscoelasticității polimerilor,și modul în care aceste caracteristici sunt legate de proprietățile lor pe termen lung
Introducere
Timpul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare, vâscozitatea la forfecare și timpul de degradare ale unui polimer sunt parametri critici pentru procesabilitatea acestuia și sunt toate trei puternic afectate de temperatură. Creșterea temperaturii reduce vâscozitatea de forfecare și timpul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare și facilitează prelucrarea. Cu toate acestea, declanșează, de asemenea, oxidarea și accelerează degradarea termică a produsului. În plus, adăugarea de mai multă căldură necesită un consum mai mare de energie.
Condiții de măsurare
În această notă de aplicare, efectul temperaturii asupra vâscozității de forfecare a unui material din polipropilenă este investigat prin reometrie rotațională. Tabelul 1 rezumă condițiile de măsurare.
Tabelul 1: Condiții de testare
| Dispozitiv | Kinexus ultra+ cu HTC Prime |
|---|---|
| Geometrie | CP2/20 (placă conică, unghiul conului: 2°, diametru: 20 mm) |
| Spațiu de măsurare | 70 μm |
| Temperaturi | Între 190°C și 230°C |
| Atmosferă | Azot, debit dinamic (1 l/min) |
Rezultatele măsurătorilor
Figura 1 prezintă curbele de vâscozitate la forfecare ale materialului la diferite temperaturi. Pentru fiecare temperatură, polimerul are un platou de vâscozitate newtoniană în intervalul vitezei de forfecare scăzute. Aici, rata de forfecare nu este suficient de mare pentru a duce la o dezagregare a lanțurilor polimerice. O creștere a temperaturii a redus vâscozitatea de forfecare de la 1 700 Pa.s la 190°C la 500 Pa.s la 230°C, deci o reducere de peste 3 ori pentru o schimbare de temperatură de numai 40°C!
Trebuie acordată o atenție deosebită nu numai temperaturii, ci și atmosferei. Figura 2 compară curbele de vâscozitate la forfecare obținute la 230 °C într-o atmosferă inertă (azot) și într-o atmosferă oxidantă (aer). Scăderea aparentă a vâscozității de forfecare aproape de la începutul încercării în aer se datorează oxidării polimerului.
Efectele forței normale
Curbele vâscozității de forfecare din figura 1 (măsurate în azot) par să indice că vâscozitatea începe să scadă între 4 și 10 s-1 pentru toate temperaturile studiate. Cu toate acestea, o examinare mai atentă a datelor, în special a tensiunii de forfecare (σ) și a diferenței primei tensiuni normale (N1) arată că N1 a depășit σ, la viteze de forfecare de peste 12 s-1 (figura 3 prezintă datele la 230°C). Atunci când N1 depășește σ, este posibil ca datele să nu mai fie fiabile.
Această forță normală ridicată se datorează efectului Weissenberg: La viteze mari de forfecare, polimerul împinge în sus geometria superioară (și în jos pe cea inferioară) deoarece vâscozitatea sa extensională îl determină să se înfășoare în jurul conului, astfel încât forța normală crește constant. Deoarece spațiul rămâne constant, geometriile nu se pot deplasa pe verticală, iar atunci când forța normală depășește tensiunea de forfecare prin rotație, proba începe să fie ejectată din spațiu. După aceasta, începem să observăm o scădere a N1.
Măsurarea oscilatorie a polimerilor
Deoarece măsurătorile de forfecare constantă a topiturilor de polimeri între conuri și plăci paralele cauzează adesea fracturarea marginilor probei, testele de vâscozitate ale acestor materiale sunt de obicei efectuate utilizând o măsurare prin oscilație. Regula Cox-Merz [1] este o relație empirică care este valabilă pentru majoritatea probelor de polimeri fără umplutură și afirmă că vâscozitatea de forfecare constantă la o rată de forfecare cunoscută va fi egală cu vâscozitatea de forfecare (componentă complexă) la frecvența unghiulară echivalentă (a se vedea figura 4). Prin urmare, testele de oscilație sunt adesea utilizate pentru testarea viscometriei topiturii polimerilor. O altă metodă de măsurare a vâscozității de forfecare la viteze de forfecare mai mari este utilizarea reometrului capilar Rosand (a se vedea figura 5).
Principiul funcțional al unui reometru rotațional (măsurarea oscilației)
Placa superioară oscilează cu o frecvență definită f [Hz] sau ω [rad/s] și o amplitudine [%] sau o deformație complexă de forfecare γ [%].
Tensiunea de forfecare complexă σ* [Pa] necesară pentru această oscilație este determinată și împărțită într-o parte "în fază" și una "în afara fazei".
Partea "în fază" este legată de proprietățile elastice (→ G`, modulul de forfecare de stocare), iar partea "în afara fazei" de proprietățile vâscoase (→ G", modulul de forfecare de pierdere) ale materialului viscoelastic.
Rezultat: Se determină proprietățile vâscoelastice ale probei, în special rigiditatea sa complexă G* și vâscozitatea sa complexă de forfecare η* [Pa-s]:
De la temperaturi diferite la frecvențe diferite: Suprapunerea timp-temperatură (TTS)
Temperatura unui polimer nu afectează doar vâscozitatea de forfecare (așa cum s-a discutat anterior), ci și proprietățile sale viscoelastice. De fapt, deoarece rata de DebitareDebavurarea este una dintre principalele etape de producție în industria ceramică și în industria pulberilor metalurgice. Se referă la îndepărtarea termică sau catalitică a aditivilor utilizați în etapele anterioare producției, cum ar fi turnarea.dezlegare și relegare a unui polimer este legată de mișcarea browniană moleculară, schimbarea temperaturii afectează proprietățile vâscoelastice în același mod ca o schimbare în timp. Comportamentul unui polimer pe parcursul unui timp definit la o temperatură definită este similar cu cel la o scară de timp mai scurtă (adică o frecvență mai mare) și la o temperatură mai ridicată. Această caracteristică poate fi utilizată pentru a construi o "curbă principală", adică curbele tipice rezultate în urma unor teste de oscilație pe o gamă foarte largă de frecvențe. Curba principală este creată prin combinarea rezultatelor baleierilor de frecvență din gama normală la diferite temperaturi (izoterme). Ca exemplu în acest sens, figura 6 prezintă curba principală a unui liant asfaltic la 25°C (curba neagră), calculată cu ajutorul scanărilor de frecvență la diferite temperaturi între 5°C și 65°C (mai multe informații despre acest lucru aici). În acest fel, curba principală prezice comportamentul pe termen lung al materialului (și anume, în domeniul frecvențelor joase) fără a fi nevoie de măsurători care necesită mult timp. Aici, testarea punctului la cea mai mică frecvență afișată (10-6 Hz) ar corespunde unui timp de peste 11 zile!
Concluzie
Reometrul rotațional Kinexus a fost capabil să caracterizeze cu precizie dependența de temperatură a vâscozității de forfecare a polipropilenei. Rezultatele vâscozității de forfecare constante au fost acceptabile pentru vitezele de forfecare mai mici, însă la forfecări moderate până la mari, prima diferență de tensiune normală N1 a depășit tensiunea de forfecare, provocând ruperea marginilor. Cu toate acestea, regula Cox-Merz ne permite să generăm aceleași valori constante ale vâscozității de forfecare utilizând un test de oscilație la frecvențe mai mari. Prin urmare, testele de baleiere cu frecvență de oscilație pot fi utilizate în locul testelor de viscometrie pentru a crea curbe de curgere. Temperatura influențează, de asemenea, proprietățile vâscoelastice ale polimerilor, astfel încât, cu ajutorul principiului suprapunerii timp-temperatură, comportamentul reologic poate fi prezis pe o gamă foarte largă de frecvențe folosind teste mult mai scurte.