Dyka ner i grunderna för termoplasters reologi

Reologi är vetenskapen om att studera flödet och deformationen av material med rötter i lagarna om elasticitet och viskositet som föreslogs av Hooke och Newton i slutet av ^1600-talet. Termoplastiska polymersmältor används i stor utsträckning i många moderna industriella processer för att tillverka en mängd olika föremål. Polymerer används eftersom de är relativt billiga att forma till komplexa former i smält tillstånd. Vi måste dock förstå hur de flödar när de bearbetas [1].

Påverkande faktorer på polymerers flödesbeteende

Polymerer är komplicerade material att karakterisera reologiskt eftersom det finns många faktorer som påverkar deras flödesegenskaper. Exempel på faktorer som påverkar flödesbeteendet kan vara bearbetningstemperatur, flödeshastighet, uppehållstid osv.

Dessutom ligger polymerernas reologiska egenskaper mellan de hos en vätska och ett fast ämne. Detta leder till tidsberoende flödesegenskaper och andra viktiga egenskaper, av vilka några diskuteras nedan [1].

Viktiga reologiska egenskaper hos polymerer

Det är välkänt attsmältviskositeten är starkt temperaturberoende. Genom att sänka temperaturen i en gjutform tills detaljen som produceras har en matt yta kan processingenjören lära sig den lägsta temperatur (och därmed högsta hartsviskositet) vid vilken processen kan köras utan att ytdefekter blir uppenbara. Att sänka temperaturen i gjutformen sparar energi och kan minska cykeltiderna, och därför är det mycket användbart att förstå smältviskositetens temperaturberoende.

Det är känt att polymersmältor uppvisar svällning vid extrudering. Detta fenomen visar sig som en ökning av extrudatets diameter efter att det lämnat en matris. Mängden svällning i matrisen är relaterad till mängden elastisk deformation av materialet vid matrisens inlopp. Ytterligare ett faktum att beakta är att graden av svällning (mer korrekt extrudatets svällning) är beroende av längden på matrisen när materialet extruderas med konstant genomströmning. Med andra ord är polymersmältor tidsberoende eftersom materialet glömmer den elastiska deformation som uppstår vid ingången till matrisen, ju mer tid materialet tillbringar i matrisen desto mindre svällning.

Smältans elasticitet kan också ha stor betydelse för många andra polymerprocesser, t.ex:

• Blåsformning där väggtjockleken på den blåsta komponenten beror på graden av svällning som har ägt rum under extruderingsprocessen innan formen stängs.
• Vakuumformning eller termoformning där polymeren måste bibehålla en viss elasticitet för att förhindra att materialet sjunker ihop innan det dras med vakuum över kallformningsverktyget. Om materialet inte har tillräcklig elasticitet kommer det sannolikt att komma i kontakt med det kylda verktyget innan vakuumet eller trycket appliceras [1].

Hur man karakteriserar flödesbeteendet för polymersmältor

Polymerens bearbetningsegenskaper beror också på koncentrationen av smörjmedel, mjukgörare, fyllmedel och andra komponenter i den förening som bearbetas. Utifrån denna korta introduktion kan man förstå att en korrekt karakterisering av polymerers flödesbeteende sannolikt kommer att kräva sofistikerade och mångsidiga instrument.

Ur reologens synvinkel kan polymerens flödesbeteende enkelt delas upp i tre komponenter: Skjuv- och förlängningsflöden, som kännetecknas av motsvarande viskositeter och elastiskt beteende, som kännetecknas av mätning av modul eller svällningskvoter [1].

Rätt instrumentering är nyckeln

För att fullständigt karakterisera ett material krävs instrumentering som har kapacitet att extrahera dessa parametrar över ett intervall av temperaturer och skjuvnings-/extensionshastigheter. Modern reologisk testutrustning för laboratorier kan delas in i två breda kategorier: Kinexus rotationsreometrar och Rosand kapillärreometrar. Dessutom ger instrument för termisk analys, t.ex. differentiell skanningskalorimetri, dynamisk mekanisk analys och termomekanisk analys, värdefulla insikter om materialegenskaper.

I nästa artikel får du veta hur vår rotationsreometer Kinexus kan användas för att karakterisera termoplaster.

Källa

[1] Reologisk testning av polymerer och bestämning av egenskaper med hjälp av rotationsreometrar och kapillärextruderingsreometrar (azom.com)

Tack till Dr Bob Marsh (tidigare anställd på Malvern Panalytical) som är den ursprungliga författaren till denna artikel!