Погружение в основы реологии термопластов

Реология - это наука, изучающая течение и деформацию материалов, в основе которой лежат законы упругости и вязкости, предложенные Гуком и Ньютоном в конце^XVII века. Расплавы термопластичных полимеров широко используются во многих современных промышленных процессах для изготовления множества предметов. Полимеры используются потому, что они относительно дешевы и могут быть сформированы в сложные формы в расплавленном состоянии. Однако нам необходимо понимать, как они текут при обработке [1].

Факторы, влияющие на текучесть полимеров

Полимеры являются сложными материалами для реологического анализа, поскольку на их текучесть влияет множество факторов. Примерами факторов, влияющих на текучесть, могут быть температура обработки, скорость потока, время пребывания и т. д.

Кроме того, реологические свойства полимеров находятся между свойствами жидкости и твердого тела. Это приводит к зависимости свойств течения от времени и другим важным характеристикам, некоторые из которых рассмотрены ниже [1].

Важные реологические свойства полимеров

Хорошо известно, чтовязкость расплава в значительной степени зависит от температуры. Снижая температуру пресс-формы до тех пор, пока изготавливаемая деталь не станет матовой, технолог может узнать минимальную температуру (а значит, и максимальную вязкость смолы), при которой процесс можно вести без появления дефектов поверхности. Снижение температуры пресс-формы позволяет экономить энергию и сокращать время цикла, поэтому понимание температурной зависимости вязкости расплава очень полезно.

Известно, что расплавы полимеров при экструзии разбухают в фильере . Это явление проявляется в виде увеличения диаметра экструдата после выхода из фильеры. Величина разбухания фильеры связана с величиной упругой деформации материала на входе в фильеру. Следует также учитывать, что степень разбухания фильеры (правильнее - разбухания экструдата) зависит от длины фильеры при экструзии материала с постоянной производительностью. Другими словами, расплавы полимеров зависят от времени, поскольку материал забывает об упругой деформации, возникшей на входе в фильеру, и чем больше времени материал проводит в фильере, тем меньше разбухание фильеры.

Эластичность расплава также может иметь глубокие последствия для многих других полимерных процессов, таких как:

• Выдувное формование, где толщина стенок выдуваемого компонента зависит от степени разбухания, произошедшего в процессе экструзии до закрытия пресс-формы.
• Вакуумная формовка или термоформовка, где полимер должен сохранять определенную степень эластичности, чтобы предотвратить провисание материала до того, как он будет вытянут под вакуумом над холодной формовочной матрицей. Если материал не обладает достаточной эластичностью, он может вступить в контакт с охлажденной матрицей до того, как будет применен вакуум или давление [1].

Как охарактеризовать поведение расплава полимера при течении

Свойства полимеров при переработке также зависят от концентрации смазочных материалов, пластификаторов, наполнителей и других компонентов в перерабатываемом соединении. Из этого краткого введения можно понять, что для правильного определения характеристик течения полимерного расплава, скорее всего, потребуется сложное и многофункциональное оборудование.

С точки зрения реолога, поведение полимера при течении можно удобно разделить на три компонента: Потоки сдвига и растяжения, которые характеризуются соответствующими вязкостями, и упругое поведение, которое характеризуется измерением модуля упругости или коэффициента набухания [1].

Правильно подобранные приборы - ключевой момент

Чтобы полностью охарактеризовать материал, необходимо оборудование, способное определять эти параметры в диапазоне температур и скоростей сдвига/растяжения. Современные лабораторные реологические приборы можно разделить на две большие категории: вращательные реометры Kinexus и капиллярные реометры Rosand. Кроме того, приборы для термического анализа, такие как дифференциальная сканирующая калориметрия, динамический механический анализ и термомеханический анализ, также позволяют получить ценные сведения о свойствах материалов.

В следующей статье вы узнаете, как наш ротационный реометр Kinexus может быть использован для определения характеристик термопластов.

Источник

[1] Реологические испытания полимеров и определение свойств с помощью ротационных реометров и реометров для капиллярной экструзии (azom.com)

Спасибо доктору Бобу Маршу (бывшему сотруднику Malvern Panalytical) как оригинальному автору этой статьи!