Introducere
Polipropilena (PP), ca material plastic de uz general de importanță crucială, a fost utilizată pe scară largă în industria auto, a ambalajelor, electronică, textilă și în alte sectoare industriale, datorită proprietăților sale mecanice excelente, stabilității chimice și performanțelor de prelucrare. Cu toate acestea, pentru a optimiza și mai mult prelucrarea materialelor din PP și pentru a îmbunătăți calitatea și performanța produsului, este de o mare importanță practică efectuarea unor investigații aprofundate asupra comportamentului reologic al PP.
Vâscozitatea, ca indicator esențial al comportamentului de curgere al polimerilor, este strâns legată de prelucrarea materialului. În diferite procese de fabricație, PP-ul trebuie să curgă și să-și ia forma în anumite intervale de temperatură. Prin urmare, înțelegerea precisă a modului în care vâscozitatea PP-ului variază în funcție de temperatură le permite inginerilor să controleze cu precizie parametrii de prelucrare, asigurând o curgere optimă și o calitate optimă a turnării PP-ului în timpul producției.
Reometrul capilar, un instrument de testare reologică classic, este utilizat pe scară largă în cercetarea polimerilor datorită capacității sale de a măsura proprietățile reologice ale materialelor într-un interval larg de viteze de forfecare și temperaturi. În acest studiu, a fost utilizat un reometru capilar Rosand RH10 de la NETZSCH (Figura 1) pentru a investiga sistematic efectele temperaturii și ale vitezei de forfecare asupra vâscozității topiturii și a energiei de activare a curgerii vâscoase a PP-ului. Rezultatele oferă o bază teoretică pentru optimizarea parametrilor de prelucrare a PP-ului, îmbunătățind în final calitatea și performanța produselor din PP.
Condiții de măsurare și metodă de testare
Condițiile de măsurare sunt prezentate în detaliu în Tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Instrument | NETZSCH Rosand RH10 |
| Eșantioane | PP |
Transductor transductor | 10.000 psi |
| Specificații matriță | L = 16 mm, D = 1 mm |
| Temperatura de testare | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Intervalul vitezei de forfecare | 10 - 10 000 s⁻¹ |
După montarea matrițelor sub cilindrul din stânga și după ce temperatura s-a stabilizat, s-au adăugat treptat granule de PP în cilindru, s-a presurizat sistemul la 1 MPa, iar apoi s-a efectuat o preîncălzire la o temperatură constantă timp de 5 minute. Ulterior, aparatul a efectuat automat testul, aplicând viteza de forfecare și înregistrând presiunea.
Rezultatele măsurătorilor și discuții
Figura 2 prezintă curbele vâscozității la forfecare în funcție de viteza de forfecare pentru probele de PP la diferite temperaturi. După cum se poate observa din Figura 2, vâscozitatea la forfecare a probelor de PP, în toate condițiile de temperatură, scade treptat odată cu creșterea vitezei de forfecare, demonstrând un comportament tipic de fluidizare la forfecare. Acest fenomen are loc deoarece dezîncurcarea lanțurilor macromoleculare de PP se intensifică odată cu creșterea vitezei de forfecare, ceea ce duce la o scădere rapidă a vâscozității la forfecare. Cu toate acestea, odată cu creșterea în continuare a vitezei de forfecare, eficacitatea tensiunii de forfecare în favorizarea dezîncurcării macromoleculare scade, ceea ce duce la încetinirea tendinței de scădere a vâscozității la forfecare.
În plus, vâscozitatea la forfecare a probelor de PP scade semnificativ odată cu creșterea temperaturii, la aceeași viteză de forfecare. Acest fenomen se datorează faptului că, pe măsură ce temperatura crește, volumul liber al topiturii de PP crește, ceea ce sporește mobilitatea segmentelor de lanț și reduce forța de interacțiune intermoleculară, îmbunătățind astfel fluiditatea PP-ului. Cu toate acestea, diferența dintre valorile vâscozității la forfecare la temperaturi diferite scade vizibil atunci când viteza de forfecare depășește 500 s-1. În special atunci când viteza de forfecare este crescută la 5000 s-1, curbele vâscozității la forfecare la diferite temperaturi tind să se suprapună, iar tendința de scădere a vâscozității la forfecare devine mai lentă. Acest lucru indică faptul că, dincolo de o viteză de forfecare critică, sensibilitatea vâscozității la forfecare a PP la temperatură scade, sugerând o fereastră de temperatură de prelucrare extinsă pentru PP în acest interval de viteze de forfecare.
Energia de activare a curgerea vâscoasă (Eη) este un indicator al sensibilității vâscozității aparente la forfecare a topiturii unui polimer la temperatură. O valoare mai mare a lui Eη semnifică o sensibilitate mai mare a vâscozității topiturii la variațiile de temperatură, în timp ce o valoare mai mică sugerează o dependență redusă de temperatură. Eη poate fi calculată folosind ecuația lui Arrhenius (1):
unde ηa reprezintă vâscozitatea topiturii; Eη este energia de activare a curgerii vâscoase; R este constanta gazelor (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹); A este o constantă independentă de temperatură.
Pe baza datelor măsurate în Figura 2, au fost construite și ajustate graficele lgηa în funcție de 1/T. În consecință, curbele de relație lgηa ~ 1/T la diferite viteze de forfecare sunt prezentate în figura 3, cu valorile specifice enumerate în tabelul 2. După cum se arată, Eη al PP la diverse viteze de forfecare poate fi determinat din pantele curbelor liniare ajustate din figura 3, cu valorile specifice enumerate în tabelul 2. Eη al PP scade odată cu creșterea vitezei de forfecare în intervalul de temperatură testat. Acest lucru indică faptul că vâscozitatea de forfecare a topiturii de PP este mai puțin sensibilă la temperatură la viteze de forfecare ridicate. Din perspectiva dinamicii moleculare, acest fenomen poate fi explicat prin faptul că forțele de forfecare externe întrerup împletirea dintre moleculele de PP, diminuând astfel sensibilitatea vâscozității de forfecare la temperatură. Acest lucru se reflectă în curbele de vâscozitate (Figura 2), unde curbele la temperaturi diferite aproape se suprapun la viteze de forfecare ridicate. Prin urmare, creșterea temperaturii se dovedește mai puțin eficientă în reducerea vâscozității la forfecare a topiturii de PP la viteze de forfecare ridicate. În schimb, la viteze de forfecare scăzute, creșterea temperaturii poate îmbunătăți semnificativ fluiditatea PP-ului, reducând astfel consumul de energie în timpul prelucrării.
Tabelul 2:Eη al PP la diferite viteze de forfecare
| Viteza de forfecare (s⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10000 |
| Eη (kJ/mol) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Concluzie
În această notă de aplicație, au fost investigate proprietățile reologice ale PP-ului la diferite temperaturi și viteze de forfecare, utilizând un reometru capilar Rosand RH10. La viteze de forfecare relativ scăzute (10 până la 500 s-1), vâscozitatea de forfecare a PP scade semnificativ odată cu creșterea vitezei de forfecare, în timp ce la viteze de forfecare ridicate (500 până la 10 000 s-1), scăderea vâscozității de forfecare devine mai graduală. În plus, Eη al PP scade odată cu creșterea vitezei de forfecare, indicând faptul că vitezele de forfecare mai mari reduc efectiv sensibilitatea la temperatură a vâscozității în stare topită a PP-ului.