Reologia polimerilor și masa moleculară

Introducere

Extrusionarea, turnarea prin injecție și turnarea prin compresie sunt toate procese care depind de vâscozitatea unui material, adică de rezistența sa la curgere. Cu toate acestea, vâscozitatea influențează nu numai prelucrarea, ci și caracteristicile mecanice ale produsului final. În special, masa moleculară și vâscozitatea sunt strâns legate.

În cele ce urmează, trei materiale PEEK diferite sunt clasificate în funcție de masa lor moleculară utilizând măsurători de oscilație pe un reometru rotațional Kinexus.

Condiții de măsurare

Măsurătorile de frecvență au fost efectuate pe trei materiale, denumite PEEK 1, PEEK 2 și PEEK 3. Deformația (sau tensiunea) aplicată probei trebuie să fie suficient de mică pentru a nu distruge structura probei, astfel încât măsurarea să fie efectuată în domeniul liniar-viscoelastic (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). O scanare a amplitudinii servește ca măsurătoare preliminară pentru a determina limita 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. Tabelul 1 prezintă condițiile de baleiere a amplitudinii și a frecvenței.

Tabelul 1: Condiții de măsurare a oscilațiilor

Amplitude Sweep: Determinarea intervalului LVER (interval vâsco-elastic liniar)

Figura 1 prezintă curbele rezultate din analiza amplitudinii pe PEEK 1 în funcție de deformația de forfecare. Pentru tensiuni de forfecare de până la aproximativ 30% - corespunzătoare unei tensiuni de forfecare de aproximativ 10 000 Pa - Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modulul elastic de forfecare G´ rămâne constant, ceea ce sugerează că materialul se află în 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. Scăderea G´ pentru tensiuni de forfecare mai mari se datorează degradării structurii probei. Pentru următoarea gamă de frecvențe, este selectată o tensiune de forfecare de 1 000 Pa.

Scanare de frecvență

Figura 2 prezintă curbele modulelor de forfecare elastică și de pierdere, în plus față de unghiul de fază în timpul unei scanări de frecvență a materialului PEEK 1. În direcția frecvențelor joase, modulul de forfecare de pierdere domină modulul de forfecare elastic, rezultând un unghi de fază mai mare de 45°C. Curbele G' și G" se intersectează la o frecvență de 15 Hz. Aici, materialul trece de la o stare dominată de lichid, în care lanțurile polimerice au timp să se desface (frecvențe joase), la o stare dominată de solid, în care lanțurile sunt interconectate și se comportă ca o rețea (frecvențe înalte).

Unele definiții

G*: Modul de forfecare complex
G': Modul de forfecare de stocare, contribuție elastică la G*
G": Modul de forfecare de pierdere, contribuție vâscoasă la G*
δ: Unghiul de fază

Unghiul de fază δ (δ = G"/G') este o măsură relativă a proprietăților vâscoase și elastice ale unui material. Dacă variază de la 0° pentru un material complet elastic la 90° pentru un material complet vâscos.

Figurile 3 și 4 prezintă baleierea de frecvență a probelor PEEK 2 și 3 în aceleași condiții. Curbele rezultate ale ambelor materiale sunt foarte asemănătoare și diferă de cele ale primei probe. Pe parcursul întregii măsurători, modulul de forfecare vâscos (G") domină modulul de forfecare elastic (G'), rezultând un unghi de fază (δ) mai mare de 45°. În direcția frecvențelor joase, unghiul de fază crește pentru a atinge aproape valoarea sa maximă de 90°. Cu alte cuvinte, la frecvențe joase (sau scări de lungă durată), eșantionul se comportă ca un fluid aproape pur vâscos, fără proprietăți elastice. Nu s-a detectat nicio încrucișare în intervalul de frecvențe măsurat, însă este probabil ca aceasta să existe la frecvențe mai mari, deoarece curbele G´ și G" tind una spre cealaltă odată cu creșterea frecvențelor. Masa moleculară a polimerilor este legată de poziția crossover-ului: Cu cât frecvența de intersecție este mai mică, cu atât masa moleculară este mai mare.

În acest caz, PEEK 1 are o masă moleculară mai mare decât PEEK 2 și PEEK 3. PEEK 2 și PEEK 3 diferă prin valorile modulului elastic de forfecare. Acesta este mai mic pentru PEEK 2 decât pentru PEEK 3 în întreaga gamă de frecvențe măsurate (diferență de peste un deceniu la 0,01 Hz). Modulul de forfecare de pierdere al PEEK 2 este, de asemenea, mai mic decât al PEEK 3. Acest lucru duce la o rigiditate mai mare pentru PEEK 3.

De la platoul vâscozității de forfecare zero la masa moleculară

Figura 5 compară vâscozitatea complexă (η) a celor trei probe. Curbele PEEK 1 și PEEK 2 sunt aproape paralele, ambele ating un platou newtonian în domeniul frecvențelor joase și prezintă un comportament de slăbire prin forfecare la frecvențe mai mari. Nivelul platoului newtonian este legat de masa moleculară a polimerului: Cu cât este mai mare masa moleculară, cu atât este mai mare vâscozitatea zero. [1]

În schimb, vâscozitatea complexă (η*) a probei 1 continuă să crească odată cu scăderea frecvențelor și platoul newtonian nu este încă atins la o frecvență de 0,01 Hz. În plus, pentru întreaga gamă de frecvențe măsurate, acest material PEEK prezintă o vâscozitate complexă mai mare, cu o diferență de peste 1,5 decenii față de proba 2 la 0,01 Hz.

Din nivelul de platou al vâscozității de forfecare al tuturor celor trei probe, se poate concluziona că PEEK 1 are o masă moleculară mai mare, urmat de PEEK 2 și PEEK 3. Acest lucru confirmă rezultatele obținute prin curbele G´ și G".

Concluzie

Comportamentul reologic a trei probe de PEEK a fost caracterizat utilizând reometrul rotațional Kinexus. Acestea diferă în ceea ce privește valoarea platoului vâscozității la forfecare zero a vâscozității complexe. Acest lucru se datorează diferențelor în masele moleculare ale materialelor.