Введение
Ротационный реометр может проводить измерения при определенных скоростях сдвига или напряжениях как в вискозиметрии (когда верхняя пластина вращается), так и в осцилляции (когда верхние пластины колеблются с заданной частотой). Хотя сдвиговая вязкость часто является наиболее часто желаемым результатом эксперимента с вращением, осцилляционный тест предоставляет информацию о вязкоупругих свойствах образца, в частности, о его комплексной вязкости (ŋ*), полученной из его комплексной жесткости (G*)[1].
Далее полипропилен измерялся с помощью вискозиметрии и осцилляции, а сдвиговая вязкость (ŋ) сравнивалась с его комплексной вязкостью (ŋ*).
Таблица 1: Параметры испытаний при измерении вращения
| Прибор | Kinexus ultra+ с камерой с электрическим нагревом | |
| Геометрия | CP2/20 (конусная пластина, угол: 2°, диаметр: 20 мм) | |
| Температура | 190°C (примерно на 30°C выше температуры плавления) | |
| Измерительный зазор | 66 мкм | |
| Скорость сдвига (-γ) | 0.01 - 10 с-1 | |
Вращательные измерения на полипропилене
Вращательные измерения проводились на гранулах полипропилена с помощью реометра NETZSCH Kinexus ultra+. В таблице 1 подробно описаны условия измерений.
На рис. 1 представлены кривые напряжения сдвига (σ, зеленый) и сдвиговой вязкости (ŋ, синий) для запрограммированных скоростей сдвига. В диапазоне низких скоростей сдвига увеличение напряжения сдвига с ростом скорости сдвига происходит линейно, а сдвиговая вязкость почти постоянна: это ньютоновское плато материала.
Около 0,1 с-1 вязкость при сдвиге начинает уменьшаться с увеличением скорости сдвига. Наклон изменяется; это свидетельствует о более выраженном сдвиговом утончении. Однако если взглянуть на кривую стационарного состояния (которая является показателем независимого от времени течения в образце, рис. 2, черный), то можно увидеть, что выше этой скорости сдвига течение уже не зависит от времени. Убедиться в том, что измерения приводят к правильным значениям сдвиговой вязкости, можно, проверив значения для установившегося потока: Они равны 1 для ламинарного, не зависящего от времени потока. Здесь увеличение кривой доказывает, что отображаемые значения сдвиговой вязкости перестали быть достоверными в последнее десятилетие.
Откуда взялось такое поведение? Ответ можно найти, взглянув на рисунок 3. Помимо сдвиговой вязкости (синий), на рисунке показано напряжение сдвига (зеленый) и первая разность нормальных напряжений (N1, красный). Сильное увеличение первой разности нормальных напряжений N1, скорее всего, является следствием эффекта Вайсенберга: Упругие свойства образца преобладают над вязкими свойствами. Образец пытается вытолкнуть верхнюю геометрическую поверхность (это невозможно, так как измерительный зазор остается постоянным во время измерения). Этот эффект подчеркивается тем, что кривая N1 превышает кривую напряжения сдвига.
Как получить значения вязкости при сдвиге: Правило Кокса-Мерца
В таких случаях, когда кривая сдвиговой вязкости не может быть оценена должным образом, очень полезным оказывается правило Кокса-Мерца [2]. Это эмпирическое соотношение, утверждающее, что для большинства полимерных расплавов сдвиговая вязкость (η) в зависимости от скорости сдвига (-γ [с-1]) равна комплексной вязкости (η* [Па-с]) в зависимости от угловой частоты (ω [рад/с]). Эта вторая кривая получается при измерении колебаний с изменением частоты (частотная развертка).
Сначала проводится амплитудная развертка, чтобы определить деформацию, которая будет использоваться при частотной развертке. Деформация, прикладываемая к полимеру, должна быть достаточно низкой, чтобы не привести к разрушению структуры образца. Другими словами, деформация selectдолжна находиться в линейном вязкоупругом диапазоне (Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER) образца, где деформация и напряжение связаны линейной зависимостью.
В таблице 2 подробно описаны условия проведения измерений колебаний на полипропилене.
На рисунке 4 представлены полученные кривые модулей упругости, потерь и фазового угла в зависимости от деформации (рисунок 4A) и соответствующего напряжения сдвига (рисунок 4B). В начале измерения модули упругости и вязкости остаются постоянными: это указывает на то, что приложенная деформация не разрушает структуру образца. Однако, начиная с деформации сдвига 20%, увеличение амплитуды приводит к уменьшению обоих модулей, а фазовый угол увеличивается. В соответствии с ISO 6721-10, конец Линейная вязкоупругая область (LVER)В LVER приложенные напряжения недостаточны для того, чтобы вызвать структурное разрушение (текучесть) конструкции, поэтому измеряются важные микроструктурные свойства.LVER определяется при амплитуде, приводящей к снижению значения G´ на 5 %. В данном случае это соответствует значению 32 %.
Таблица 2: Параметры испытаний при измерении колебаний
Амплитудная развертка | Частотная развертка | |
| Устройство | Kinexus ultra+ с электрически нагреваемой камерой | |
| Геометрия | PP25 (пластина-пластина, диаметр: 25 мм) | PP25 |
| Температура | 190°C (примерно на 30°C выше температуры плавления) | |
| Измерительный зазор | 1 мм | 1 мм |
| Частота | 1 Гц | 10-3 - 10 Гц |
| Деформация сдвига (γ*) | от 1 до 100% | - |
| Напряжение сдвига (σ*) | - | 1 000 Па |
Кривые, полученные при амплитудной развертке, можно также представить в виде функции напряжения сдвига (рис. 4B). Для последующей частотной развертки к образцу было приложено напряжение сдвига 1000 Па.
На рисунке 5 показана сдвиговая вязкость, полученная при вращательном измерении (синий цвет), а также комплексная вязкость, полученная при частотной развертке (оранжевый цвет). Обе кривые хорошо согласуются между 10-2 и 2 рад/с. Это подтверждает Заключение Вязкость сдвига и комплексная вязкость расплава полипропилена сравнивались с помощью вращательного и осцилляционного измерений. При условии, что к полимеру можно приложить устойчивый поток, можно продемонстрировать хорошее соответствие между вязкостью сдвига и комплексной вязкостью. Такое поведение ожидается из правила Кокса-Мерца. При более высоких скоростях сдвига, когда возникают неустойчивости потока, устойчивое течение уже не достигается. Здесь правило Кокса-Мерца оказывается очень полезным, так как позволяет узнать вязкость сдвига с помощью комплексной вязкости. Вязкость сдвига (η, синий) и комплексная вязкость (η*, оранжевый) во время вращательных и осцилляционных измерений расплава полипропилена 5 результаты, рассмотренные выше: Нестабильность течения, возникающая при более высоких скоростях сдвига, не позволяет сделать поток независимым от времени. Следовательно, при вращательных измерениях невозможно получить достоверные результаты. Однако применение метода Кокса-Мерца позволяет легко определить стационарную сдвиговую вязкость: Достаточно получить комплексную вязкость как функцию угловой частоты после проведения измерения колебаний.
Заключение
Вязкость сдвига и комплексная вязкость расплава полипропилена сравнивались с помощью вращательных и осцилляционных измерений. При условии, что к полимеру можно приложить устойчивый поток, можно продемонстрировать хорошее соответствие между вязкостью сдвига и комплексной вязкостью. Такое поведение ожидается из правила Кокса-Мерца. При более высоких скоростях сдвига, когда возникают неустойчивости потока, устойчивое течение уже не достигается. Здесь правило Кокса-Мерца очень полезно, так как оно позволяет узнать вязкость сдвига по комплексной вязкости.