Введение
Полипропилен (ПП), являясь важнейшим пластиком общего назначения, широко применяется в автомобильной, упаковочной, электронной, текстильной и других отраслях промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам, химической стойкости и технологическим характеристикам. Однако для дальнейшей оптимизации технологического процесса переработки материалов из ПП, а также повышения качества и эксплуатационных характеристик продукции большое практическое значение имеет проведение углубленных исследований реологического поведения ПП.
Вязкость, являясь важнейшим показателем течения полимера, тесно связана с технологической обработкой материала. В различных производственных процессах ПП должен течь и принимать форму в определенных температурных диапазонах. Поэтому точное понимание того, как вязкость ПП изменяется в зависимости от температуры, позволяет инженерам точно контролировать технологические параметры, обеспечивая оптимальную текучесть и качество формования ПП в процессе производства.
Капиллярный реометр — прибор для реологических испытаний компании « classic » — широко используется в исследованиях полимеров благодаря своей способности измерять реологические свойства материалов в широком диапазоне скоростей сдвига и температур. В данном исследовании был использован капиллярный реометр Rosand RH10 ( NETZSCH ) (рис. 1) для систематического изучения влияния температуры и скорости сдвига на вязкость расплава и энергию активации вязкого течения ПП. Полученные результаты служат теоретической основой для оптимизации параметров переработки ПП, что в конечном итоге позволяет повысить качество и эксплуатационные характеристики изделий из ПП.
Условия измерения и метод испытаний
Условия проведения измерений подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Прибор | NETZSCH Rosand RH10 |
| Образцы | PP |
Датчик датчик | 10 000 psi |
| Характеристики матрицы | L = 16 мм, D = 1 мм |
| Испытательная температура | 180 °C/190 °C/200 °C/210 °C/220 °C |
| Диапазон скорости сдвига | 10–10 000 с⁻¹ |
После установки матриц под левым цилиндром и дожидаясь стабилизации температуры, в цилиндр медленно засыпали гранулы полипропилена, создавали давление 1 МПа, а затем проводили предварительный нагрев при постоянной температуре в течение 5 минут. Затем прибор автоматически проводил испытание, прилагая скорость сдвига и регистрируя давление.
Результаты измерений и обсуждение
На рисунке 2 представлены кривые зависимости сдвиговой вязкости от скорости сдвига для образцов ПП при различных температурах. Как видно из рисунка 2, сдвиговая вязкость образцов ПП при любых температурных условиях постепенно уменьшается с увеличением скорости сдвига, демонстрируя типичное сдвиговое разжижение. Это явление происходит потому, что распутывание макромолекулярных цепей ПП усиливается при более высоких скоростях сдвига, что приводит к быстрому снижению вязкости при сдвиге. Однако при дальнейшем увеличении скорости сдвига эффективность сдвигового напряжения в содействии распутыванию макромолекул снижается, что приводит к замедлению темпов снижения вязкости сдвига.
Кроме того, вязкость сдвига образцов ПП значительно снижается с ростом температуры при одинаковой скорости сдвига. Это связано с тем, что при повышении температуры свободный объём расплава ПП увеличивается, что повышает подвижность сегментов цепи и снижает силу межмолекулярного взаимодействия, тем самым улучшая текучесть ПП. Однако разница в значениях сдвиговой вязкости при разных температурах заметно уменьшается, когда скорость сдвига превышает 500 с⁻¹. В частности, при увеличении скорости сдвига до 5000 с⁻¹ кривые вязкости сдвига при различных температурах начинают перекрываться, а тенденция к снижению вязкости сдвига замедляется. Это указывает на то, что при скорости сдвига, превышающей критическое значение, чувствительность сдвиговой вязкости ПП к температуре снижается, что позволяет говорить о расширении диапазона температур переработки ПП в пределах данного диапазона скоростей сдвига.
Энергия активации вязкого течения (Eη) является показателем чувствительности кажущейся вязкости полимерного расплава к температуре. Более высокое значение Eη означает большую чувствительность вязкости расплава к изменениям температуры, тогда как более низкое значение указывает на пониженную температурную зависимость. Eη можно рассчитать с помощью уравнения Аррениуса (1):
где ηa — вязкость расплава; Eη — энергия активации вязкого течения; R — газовая постоянная (8,314 Дж·моль⁻¹·К⁻¹); A — постоянная, не зависящая от температуры.
На основе данных, представленных на рисунке 2, были построены и аппроксимированы графики зависимости lgηa от 1/T. Соответственно, кривые зависимости lgηa ~ 1/T при различных скоростях сдвига представлены на рис. 3, а конкретные значения приведены в табл. 2. Как показано, Eη ПП при различных скоростях сдвига можно определить по наклонам аппроксимированных линейных кривых на рис. 3, а конкретные значения приведены в табл. 2. Eη полипропилена (ПП) уменьшается с увеличением скорости сдвига в пределах исследуемого диапазона температур. Это указывает на то, что вязкость расплава ПП при сдвиге менее чувствительна к температуре при высоких скоростях сдвига. С точки зрения молекулярной динамики это явление можно объяснить тем, что внешние сдвиговые силы разрушают переплетение между молекулами ПП, тем самым снижая чувствительность сдвиговой вязкости к температуре. Это отражено на кривых вязкости (рисунок 2), где кривые при разных температурах практически совпадают при высоких скоростях сдвига. Следовательно, повышение температуры оказывается менее эффективным для снижения сдвиговой вязкости расплава ПП при высоких скоростях сдвига. Напротив, при низких скоростях сдвига повышение температуры может значительно улучшить текучесть ПП, тем самым снижая энергопотребление в процессе переработки.
Таблица 2:Коэффициент Eη полипропилена при различных скоростях сдвига
| Скорость сдвига (с⁻¹) | 10 | 21,5 | 46,4 | 100 | 215 | 464 | 1000 | 2154 | 4642 | 10 000 |
| Eη (кДж/моль) | 62,6 | 51,4 | 44,4 | 39,2 | 34,2 | 28,9 | 27,1 | 26,3 | 26,2 | 23,5 |
Заключение
В данном практическом руководстве были исследованы реологические свойства полипропилена (ПП) при различных температурах и скоростях сдвига с использованием капиллярного реометра Rosand RH10. При относительно низких скоростях сдвига (от 10 до 500 с⁻¹) вязкость полипропилена при сдвиге значительно снижается с увеличением скорости сдвига, тогда как при высоких скоростях сдвига (от 500 до 10 000 с⁻¹) снижение вязкости при сдвиге происходит более постепенно. Кроме того, Eη ПП уменьшается с увеличением скорости сдвига, что указывает на то, что более высокие скорости сдвига эффективно снижают температурную чувствительность вязкости расплава ПП.