Undersökning av sambandet mellan viskositet och temperatur hos PP med hjälp av kapillärreometri

Inledning

Polypropylen (PP) är en viktig allroundplast som har fått bred användning inom bilindustrin, förpackningsindustrin, elektronikindustrin, textilindustrin och andra branscher tack vare sina utmärkta mekaniska egenskaper, kemiska stabilitet och bearbetningsegenskaper. För att ytterligare optimera bearbetningen av PP-material och förbättra produktens kvalitet och prestanda är det dock av stor praktisk betydelse att genomföra ingående undersökningar av PP:s reologiska beteende.

Viskositeten, som är en avgörande indikator på polymerens flödesbeteende, är nära kopplad till materialbearbetningen. I olika tillverkningsprocesser måste PP flöda och forma sig inom specifika temperaturintervall. Därför gör en noggrann förståelse av hur PP:s viskositet varierar med temperaturen det möjligt för ingenjörer att noggrant styra bearbetningsparametrarna, vilket säkerställer optimal flytbarhet och formkvalitet hos PP under produktionen.

Kapillärreometern, ett classic reologiskt mätinstrument, används i stor utsträckning inom polymerforskningen tack vare sin förmåga att mäta materialens reologiska egenskaper över ett brett intervall av skjuvhastigheter och temperaturer. I denna studie användes en kapillärreometer av typen Rosand RH10 från NETZSCH (figur 1) för att systematiskt undersöka effekterna av temperatur och skjuvhastighet på smältviskositeten och aktiveringsenergin för visköst flöde hos PP. Resultaten utgör en teoretisk grund för optimering av bearbetningsparametrarna för PP, vilket i slutändan förbättrar kvaliteten och prestandan hos PP-produkter.

Mätförhållanden och provningsmetod

Mätförhållandena beskrivs i detalj i tabell 1.

Tabell 1: Mätförhållanden

Efter att formarna hade monterats under den vänstra cylindern och temperaturen hade stabiliserats tillfördes PP-granulat långsamt till cylindern, trycket höjdes till 1 MPa och materialet förvärmdes därefter vid en konstant temperatur i 5 minuter. Därefter genomförde instrumentet automatiskt provningen genom att applicera skjuvhastigheten och registrera trycket.

Mätresultat och diskussion

Figur 2 visar kurvorna för skjuvviskositet mot skjuvhastighet för PP-prover vid olika temperaturer. Som framgår av figur 2 minskar skjuvviskositeten hos PP-proverna under alla temperaturförhållanden gradvis med ökande skjuvhastighet, vilket visar på ett typiskt skjuvförtunnande beteende. Detta fenomen uppstår eftersom upptrasslingen av PP-makromolekylkedjorna intensifieras vid högre skjuvhastigheter, vilket leder till en snabb minskning av skjuvviskositeten. Men när skjuvhastigheten ökar ytterligare minskar skjuvspänningens effektivitet när det gäller att främja upplösningen av makromolekylära trassel, vilket resulterar i att den avtagande trenden för skjuvviskositeten bromsas upp.

Dessutom minskar skjuvviskositeten hos PP-proverna avsevärt när temperaturen ökar vid samma skjuvhastighet. Detta beror på att den fria volymen i PP-smältan ökar när temperaturen stiger, vilket förbättrar kedjesegmentens rörlighet och minskar den intermolekylära växelverkan, vilket i sin tur förbättrar PP:s flytbarhet. Skillnaden i skjuvviskositetsvärden vid olika temperaturer minskar dock märkbart när skjuvhastigheten överstiger 500 ^s-1. Särskilt när skjuvhastigheten ökas till 5000 ^s-1 tenderar skjuvviskositetskurvorna vid olika temperaturer att överlappa varandra, och den avtagande trenden för skjuvviskositeten blir långsammare. Detta indikerar att PP:s skjuvviskositets känslighet för temperatur minskar bortom en kritisk skjuvhastighet, vilket tyder på ett utökat bearbetningstemperaturfönster för PP inom detta skjuvhastighetsintervall.

Aktiveringsenergin för visköst flöde (_Eη) är en indikator på hur känslig en polymersmältas skenbara skjuvviskositet är för temperaturen. _Ett högre _Eη-värde innebär större känslighet hos smältviskositeten för temperaturvariationer, medan ett lägre värde tyder på minskat temperaturberoende. _Eη kan beräknas med hjälp av Arrhenius-ekvationen (1):

där _ηa är smältans viskositet; _Eη är aktiveringsenergin för visköst flöde; R är gaskonstanten (8,314 ^{J·mol⁻¹·K⁻¹}); A är en temperaturoberoende konstant.

Utifrån de uppmätta data i figur 2 har diagram över _lgηa mot 1/T konstruerats och anpassats. Följaktligen presenteras förhållandekurvorna för _lgηa ~1/T vid olika skjuvhastigheter i figur 3, med de specifika värdena angivna i tabell 2. Som framgår kan Eη för PP vid olika skjuvhastigheter bestämmas utifrån lutningarna på de anpassade linjära kurvorna i figur 3, med specifika värden angivna i tabell 2. _Eη för PP minskar med ökande skjuvhastighet inom det testade temperaturintervallet. Detta indikerar att skjuvviskositeten hos PP-smältan är mindre temperaturkänslig vid höga skjuvhastigheter. Ur ett molekylärdynamiskt perspektiv kan detta fenomen förklaras av att yttre skjuvkrafter bryter sammanflätningen mellan PP-molekylerna, vilket därmed minskar skjuvviskositetens känslighet för temperatur. Detta återspeglas i viskositetskurvorna (figur 2), där kurvorna vid olika temperaturer nästan överlappar varandra vid höga skjuvhastigheter. Därför visar sig en ökad temperatur vara mindre effektiv för att minska skjuvviskositeten hos PP-smältan vid höga skjuvhastigheter. Däremot kan en höjd temperatur vid låga skjuvhastigheter avsevärt förbättra PP:s flytbarhet, vilket därmed minskar energiförbrukningen under bearbetningen.

Tabell 2:_Eη för PP vid olika skjuvhastigheter

Slutsats

I denna tillämpningsnot har de reologiska egenskaperna hos PP vid olika temperaturer och skjuvhastigheter undersökts med hjälp av en Rosand RH10 kapillärreometer. Vid relativt låga skjuvhastigheter (10 till 500 ^s-1) minskar PP:s skjuvviskositet avsevärt när skjuvhastigheten ökar, medan minskningen av skjuvviskositeten blir mer gradvis vid höga skjuvhastigheter (500 till 10 000 ^s-1). Dessutom minskar _Eη för PP med ökande skjuvhastighet, vilket indikerar att högre skjuvhastigheter effektivt minskar temperaturkänsligheten hos PP:s smältviskositet.