Reologia capilară a termoplasticelor: O prezentare generală

Materialele termoplastice pot fi caracterizate cu ajutorul unui reometru rotațional Kinexus atunci când este necesar să se obțină informații privind structura moleculară și modul în care aceasta afectează caracteristicile de prelucrare. Acest lucru poate fi investigat în continuare cu ajutorul reometrului capilar Rosand. Citiți mai multe mai jos!

Cum funcționează un reometru capilar?

Reometrele capilare de înaltă presiune au un cilindru cu temperatură controlată care încorporează unul sau mai multe găuri de precizie prevăzute cu matrițe capilare la ieșire. Traductoarele de presiune a topiturii sunt montate imediat deasupra matrițelor pentru a înregistra căderea de presiune pe măsură ce topitura de polimer este extrudată prin matrițe la debite programate. Prin utilizarea unei matrițe capilare și a unei matrițe cu "orificiu" sau cu "lungime zero", se pot determina simultan vâscozitatea de forfecare și vâscozitatea extensională a unui polimer topit în funcție de ratele de forfecare și de extensiune.

Sunt disponibile accesorii suplimentare pentru a înregistra umflarea matriței cu ajutorul unui indicator cu scanare laser și/sau rezistența la topirea extrudatului, prin trecerea firului de polimer printr-o serie de role de tăiere cu viteză controlată și înregistrarea forței (tensiunea de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire) în funcție de viteza de tragere [1].

Doriți să vedeți o demonstrație live a reometrului capilar Rosand? Urmăriți videoclipul nostru aici!

Reometre capilare = viteze de forfecare mai mari

În general, reometrele capilare sunt utilizate pentru a măsura proprietățile topiturii la viteze de forfecare mai mari comparativ cu reometrele rotaționale, permițând determinarea comportamentului de curgere în condiții tipice de prelucrare. Un aspect deosebit de important este capacitatea de a măsura proprietățile de extensie (alungire) la viteze de extensie mai mari comparativ cu alte tehnici și, mai important, la vitezele de extensie întâlnite pe o linie de prelucrare.

Figurile 1 și 2 prezintă atât date de forfecare, cât și de extensie, ceea ce ilustrează un aspect important și adesea neglijat: Doi polimeri pot avea un comportament de curgere la forfecare aproape identic, dar pot prezenta proprietăți de extensie considerabil diferite. După cum s-a menționat anterior, multe procese ale polimerilor (filarea fibrelor, turnarea prin suflare) sunt în esență procese extensionale și, prin urmare, determinarea vâscozității extensionale este mai importantă decât măsurarea vâscozității de forfecare [1].

Examinarea comportamentului de prelucrare a materialelor termoplastice

În plus față de determinarea proprietăților reologice ale materialelor, reometrele capilare sunt adesea utilizate pentru a examina comportamentul de prelucrare: Două exemple includ determinarea regiunilor de instabilitate a fluxului și măsurarea alunecării peretelui sau a tensiunii critice.

Instabilitatea fluxului

Instabilitatea fluxului este, în general, rezultatul unei tensiuni de tracțiune atunci când topitura curge de la o secțiune large la una mai mică. Dacă tensiunea de tracțiune devine large suficient de mare, topitura se fracturează. Efectul fracturării topiturii devine mai puțin vizibil odată cu creșterea lungimii matriței și cu creșterea temperaturii matriței. Creșterea lungimii matriței atenuează efectul modificărilor secțiunii transversale la intrarea în matriță, în timp ce creșterea temperaturii reduce vâscozitatea și tensiunea la aceeași rată de forfecare. Într-un reometru capilar, o regiune de fractură a topiturii este evidențiată ca o oscilație regulată a semnalului de presiune a topiturii, după cum se arată mai jos. Topitura se fracturează efectiv și apoi se reformează, ceea ce are ca efect faptul că elementele adiacente au trecut prin istorii de extensie diferite și astfel se vor umfla diferit la ieșirea din matriță [1].

Starea bățului

O ipoteză fundamentală la calcularea proprietăților reologice cu un reometru capilar este aceea că materialul de pe peretele matriței capilare este staționar - aceasta este așa-numita condiție stick. În practică, topiturile polimerice se abat de la această situație la o tensiune critică, iar materialul curge ca o combinație de curgere de forfecare suprapusă peste o curgere în dop. Alunecarea pereților și determinarea tensiunii critice pot fi analizate într-un reometru capilar prin măsurarea curbelor de curgere la o presiune de extrudare constantă (adică o tensiune de forfecare constantă) și la aceeași temperatură pentru cel puțin trei seturi de matrițe capilare cu același raport lungime/diametru, dar cu raze diferite ale găurii matriței (abordarea lui Mooney). Utilizarea ecuației 1 ajută să se descopere dacă un material polimeric este predispus să prezinte un comportament de alunecare în timpul prelucrării.

Pentru un material care nu se confruntă cu alunecarea peretelui (figura 4), vor fi generate profiluri identice ale tensiunii de forfecare în funcție de viteza de forfecare. În cazul alunecării peretelui (la o tensiune de forfecare constantă), viteza de forfecare va scădea pe măsură ce diametrul matriței crește (a se vedea figura 4). Utilizarea abordării lui Mooney asupra datelor de curgere permite determinarea vitezei de alunecare, care este egală cu panta/4 și crește odată cu creșterea tensiunii de forfecare(o), după cum se arată în figura 4. În plus, se pot obține informații privind tensiunea critică(o c) (pantă>0). Acești parametri sunt adesea solicitați de pachetele software de calcul pentru dinamica fluidelor, împreună cu datele privind vâscozitatea de forfecare și de extensie, pentru a prezice curgerea topiturilor în matrițe și profile de extrudare.

Concluzie

Reologia topiturii polimerilor este un subiect complex care necesită o proiectare experimentală atentă pentru a obține informațiile necesare pentru a satisface cerințele unui cercetător.

Reometrul capilar extinde gama de viteze de forfecare obținute în laborator, dincolo de cea disponibilă într-un instrument rotativ și permite măsurarea proprietăților de curgere în condiții tipice de prelucrare. În plus, capacitatea de a determina cu ușurință atât proprietățile de forfecare, cât și cele de extensie în condiții de aplicare oferă producătorului și procesatorului de polimeri informații vitale pentru utilizarea cu succes a unui polimer topit. În cele din urmă, reometrul capilar permite investigarea problemelor de prelucrare într-un mediu controlat, fără a fi necesară oprirea producției în fabrică.

Noua carte de aplicații capilare este disponibilă!

Profitați și de cărțile noastre de aplicații pentru reologia rotațională și capilară și aflați cum pot fi determinate proprietățile de curgere ale produselor prin analiza lor reologică.

Noua broșură capilară oferă o introducere în tehnologie și în domeniu, discută exemple de aplicații, arată cum să caracterizați proprietățile fundamentale ale materialelor și oferă măsurători utilizând tehnici avansate.

Ambele cărți pot fi descărcate GRATUIT și pot fi descărcate de aici.

Surse

[1] Testarea reologică a polimerilor și determinarea proprietăților utilizând reometre rotaționale și reometre de extrudare capilară (azom.com)

[2] Literatură: Rheology Principles, Measurements, and Applications, Christopher W. Macosko, ISBN: 1-56081-579-5.

Mulțumim Dr. Bob Marsh (fost angajat al Malvern Panalytical) ca autor original al acestui articol!