Inledning
Extrudering, formsprutning och formpressning är alla processer som är beroende av ett materials viskositet, dvs. dess flödesmotstånd. Viskositeten påverkar dock inte bara bearbetningen utan även slutproduktens mekaniska egenskaper. Det finns ett nära samband mellan molekylmassa och viskositet.
I det följande klassificeras tre olika PEEK-material enligt deras molekylmassa med hjälp av oscillationsmätningar på en Kinexus rotationsreometer.
Mätförhållanden
Frekvensmätningar utfördes på tre material, PEEK 1, PEEK 2 och PEEK 3. Den töjning (eller spänning) som appliceras på provet måste vara tillräckligt låg för att inte förstöra provets struktur så att mätningen utförs inom det linjära viskoelastiska området (Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER). En amplitudsvepning fungerar som en preliminär mätning för att bestämma Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER-gränsen. Tabell 1 visar villkoren för amplitud- och frekvenssvepningarna.
Tabell 1: Förutsättningar för oscillationsmätningarna
| Amplitud-svep | Frekvenssvep | |
|---|---|---|
| Anordning | Kinexus ultra+ med elektriskt uppvärmd kammare | |
| Geometri | PP25 (platta-platta, diameter: 25 mm) | |
| Spalt | 500 μm | 500 μm |
| Temperatur | 360°C | 360°C |
| Skjuvtöjning | 1 till 100 | - |
| Skjuvspänning | - | 1 000 Pa (PEEK 1), 500 Pa (PEEK 2 och 3) |
| Frekvens | 1 Hz | 10 till 0,01 Hz |
| Atmosfär | Kväve (1 l/min) | |
Amplitudsvep: Bestämning av LVER (Linear Visco-Elastic Range)
Figur 1 visar kurvorna från amplitudsvepet på PEEK 1 som en funktion av skjuvtöjningen. För skjuvtöjningar upp till ca 30% - vilket motsvarar en skjuvspänning på ca 10.000 Pa - förblir den elastiska skjuvmodulen G´ konstant, vilket tyder på att materialet befinner sig i Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER. Minskningen av G´ för högre skjuvspänningar beror på nedbrytningen av provets struktur. För följande frekvenssvep väljs en skjuvspänning på 1.000 Pa.
Frekvenssvep
Figur 2 visar kurvorna för elastisk skjuvmodul och förlustskjuvmodul samt fasvinkeln under en frekvenssvepning av PEEK-material 1. I riktning mot de lägre frekvenserna dominerar förlustskjuvmodulen över den elastiska skjuvmodulen, vilket resulterar i en fasvinkel som är högre än 45°C. G'- och G"-kurvorna korsar varandra vid en frekvens på 15 Hz. Här övergår materialet från ett vätskedominerat tillstånd, där polymerkedjorna har tid att lösgöra sig (låga frekvenser), till ett soliddominerat tillstånd, där kedjorna är sammankopplade och beter sig som ett nätverk (höga frekvenser).
Några definitioner
G*: Komplex skjuvmodul (G*)Skjuvmodulen är ett mått på ett materials styvhet. Komplex skjuvmodul
G': Lagringsskjuvmodul, elastiskt bidrag till G*
G": Förlustskjuvmodul, visköst bidrag till G*
δ: Fasvinkel
Fasvinkeln δ (δ = G"/G') är ett relativt mått på de viskösa och elastiska egenskaperna hos ett material. Den sträcker sig från 0° för ett helt elastiskt material till 90° för ett helt visköst material.
Figurerna 3 och 4 visar frekvenssvepet för PEEK-proverna 2 och 3 under samma förhållanden. De resulterande kurvorna för båda materialen är mycket lika och skiljer sig från det första provet. Under hela mätningen dominerar den viskösa skjuvmodulen (G") den elastiska skjuvmodulen (G'), vilket resulterar i en fasvinkel (δ) som är högre än 45°. I riktning mot de lägre frekvenserna ökar fasvinkeln för att nå nästan sitt maximala värde på 90°. Med andra ord, vid låga frekvenser (eller långtidsskalor) beter sig provet som en nästan rent viskös vätska utan några elastiska egenskaper. Ingen crossover upptäcktes i det uppmätta frekvensområdet, men den finns sannolikt vid högre frekvenser eftersom G´- och G"-kurvorna tenderar att närma sig varandra med ökande frekvenser. Polymerernas molekylmassa är relaterad till crossoverns position: Ju lägre frekvensen för övergången är, desto högre är molekylmassan.
I det här fallet har PEEK 1 en högre molekylmassa än PEEK 2 och PEEK 3. PEEK 2 och PEEK 3 skiljer sig åt när det gäller värdena för den elastiska skjuvmodulen. Den är lägre för PEEK 2 än för PEEK 3 i hela det uppmätta frekvensområdet (mer än ett decennium skillnad vid 0,01 Hz). Förlustskjuvningsmodulen för PEEK 2 är också lägre än för PEEK 3. Detta resulterar i en högre styvhet för PEEK 3.
Från platån för viskositet vid nollskjuvning till Molekylmassa
I figur 5 jämförs den komplexa viskositeten (η) för alla tre proverna. Kurvorna för PEEK 1 och PEEK 2 är nästan parallella, båda når en newtonsk platå i lågfrekvensområdet och uppvisar ett skjuvtunnande beteende vid högre frekvenser. Nivån på den newtonska platån är relaterad till polymerens molekylmassa: Ju högre molekylmassa, desto högre nollviskositet. [1]
Däremot fortsätter den komplexa viskositeten (η*) för prov 1 att öka med sjunkande frekvenser och den newtonska platån nås fortfarande inte vid en frekvens på 0,01 Hz. För hela det uppmätta frekvensområdet uppvisar detta PEEK-material dessutom högre komplex viskositet med mer än 1,5 decimal skillnad mot prov 2 vid 0,01 Hz.
Av nivån på skjuvviskositetsplatån för alla tre proverna kan man dra slutsatsen att PEEK 1 har en högre molekylmassa, följt av PEEK 2 och PEEK 3. Detta bekräftar de resultat som erhållits med G´- och G"-kurvorna.
Slutsats
Det reologiska beteendet hos tre PEEK-prover karakteriserades med hjälp av Kinexus rotationsreometer. De skiljer sig åt i värdet på den komplexa viskositetens platå för viskositet vid noll skjuvning. Detta beror på skillnader i materialens molekylmassor.