Giriş
Bir rotasyonel reometre, hem viskometride (üst plakanın döndüğü) hem de osilasyonda (üst plakaların belirli bir frekansta salındığı) tanımlanmış kayma hızları veya gerilimler altında ölçümler yapabilir. Kesme viskozitesi genellikle bir dönme deneyinden en sık istenen sonuç olsa da, salınım testi numunenin visko-elastik özellikleri, özellikle de kompleks sertliğinden (G*) elde edilen kompleks viskozitesi (ŋ*) hakkında bilgi verir[1].
Aşağıda, polipropilen hem viskozimetri hem de osilasyon kullanılarak ölçülmüş ve kayma viskozitesi (ŋ) kompleks viskozitesi (ŋ*) ile karşılaştırılmıştır.
Tablo 1: Rotasyonel ölçümün test parametreleri
| Cihaz | Kinexus ultra+ elektrikli ısıtmalı hazne ile | |
| Geometri | CP2/20 (Koni-Plaka, açı: 2°, çap: 20 mm) | |
| Sıcaklık | 190°C (erime sıcaklığının yaklaşık 30°C üzerinde) | |
| Ölçüm boşluğu | 66 μm | |
| Kayma oranları (-γ) | 0.01 ila 10 s-1 | |
Polipropilen Üzerinde Rotasyonel Ölçüm
Polipropilen peletler üzerinde NETZSCH Kinexus ultra+ reometre kullanılarak rotasyonel bir ölçüm gerçekleştirilmiştir. Tablo 1 ölçüm koşullarını detaylandırmaktadır.
Şekil 1, programlanan kayma hızları için elde edilen kayma gerilimi (σ, yeşil) ve kayma viskozitesi (ŋ, mavi) eğrilerini göstermektedir. Düşük kayma hızı aralığında, artan kayma hızları ile kayma gerilimindeki artış doğrusaldır ve kayma viskozitesi neredeyse sabittir: Bu, malzemenin Newton platosudur.
0,1 s-1 civarında, kayma viskozitesi artan kayma hızları ile azalmaya başlar. Eğim değişir; bu daha belirgin kayma incelmesi davranışının bir göstergesidir. Bununla birlikte, kararlı durum eğrisine bakıldığında (numune içinde zamandan bağımsız akışın bir göstergesidir, Şekil 2, siyah) bu kayma hızının üzerinde akışın artık zamandan bağımsız olmadığı görülür. Sabit akış değerleri kontrol edilerek ölçümün doğru kayma viskozitesi değerlerine yol açtığından emin olunur: Laminer, zamandan bağımsız bir akış için 1'e eşittirler. Burada eğri artışı, gösterilen kayma viskozitesi değerlerinin son on yılda artık güvenilir olmadığını kanıtlamaktadır.
Bu davranış nereden kaynaklanmaktadır? Şekil 3'e bakıldığında cevap bulunabilir. Kayma viskozitesine (mavi) ek olarak, kayma gerilmesi (yeşil) ilk normal gerilme farkı (N1, kırmızı) ile birlikte çizilmiştir. İlk normal gerilme farkı olan N1'deki güçlü artış büyük olasılıkla Weissenberg etkisinden kaynaklanmaktadır: Numunenin elastik özellikleri viskoz özelliklerine baskın gelmektedir. Numune üst geometriyi yukarı itmeye çalışır (bu mümkün değildir çünkü ölçüm aralığı ölçüm sırasında sabit kalır). Bu etki, N1 eğrisinin kayma gerilimi eğrisini aşmasıyla vurgulanmaktadır.
Kayma Viskozitesi Değerleri Nasıl Elde Edilir? Cox-Merz Kuralı
Kayma viskozitesi eğrisinin düzgün bir şekilde değerlendirilemediği bu gibi durumlarda, Cox-Merz kuralı [2] çok kullanışlıdır. Çoğu polimer eriyiği için, kayma hızının (-γ [s-1]) bir fonksiyonu olarak kayma viskozitesinin (η), açısal frekansın (ω [rad/s]) bir fonksiyonu olarak kompleks viskoziteye (η* [Pa-s]) eşit olduğunu belirten ampirik bir ilişkidir. Bu ikinci eğri, frekansın değiştirildiği bir salınım ölçümü ile elde edilir (frekans taraması).
İlk olarak, frekans taraması sırasında kullanılacak gerinimi belirlemek için bir genlik taraması gerçekleştirilir. Polimer üzerinde uygulanan deformasyon, numune yapısının bozulmasına yol açmayacak kadar düşük olmalıdır. Başka bir deyişle, gerinim selected, gerinim ve gerilmenin doğrusal bir ilişki ile ilişkili olduğu numunenin doğrusal viskoelastik aralığında (Doğrusal Viskoelastik Bölge (LVER)LVER'de, uygulanan gerilimler yapının yapısal bozulmasına (akma) neden olmak için yetersizdir ve bu nedenle önemli mikro-yapısal özellikler ölçülmektedir.LVER) olmalıdır.
Tablo 2, polipropilen üzerinde gerçekleştirilen salınım ölçümlerinin koşullarını detaylandırmaktadır.
Şekil 4, deformasyonun (Şekil 4A) ve karşılık gelen kayma gerilmesinin (Şekil 4B) bir fonksiyonu olarak elastik, kayıp modülleri ve faz açısının sonuç eğrilerini göstermektedir. Ölçümün başlangıcında, elastik ve viskoz modüller sabit kalır: Bu, uygulanan deformasyonun numune yapısını bozmadığını gösterir. Bununla birlikte, %20'lik bir kayma gerilmesinden itibaren, genlikteki bir artış her iki modülde de bir azalmaya yol açarken, faz açısı artar. ISO 6721-10'a göre, Doğrusal Viskoelastik Bölge (LVER)LVER'de, uygulanan gerilimler yapının yapısal bozulmasına (akma) neden olmak için yetersizdir ve bu nedenle önemli mikro-yapısal özellikler ölçülmektedir.LVER'in sonu, G´ değerinde %5'lik bir düşüşe yol açan genlikte belirlenir. Bu durumda, %32'lik bir değere karşılık gelir.
Tablo 2: Salınım ölçümlerinin test parametreleri
Genlik Taraması | Frekans Taraması | |
| Cihaz | Kinexus ultra+ elektrikli ısıtmalı hazne ile | |
| Geometri | PP25 (plaka-plaka, çap: 25 mm) | PP25 |
| Sıcaklık | 190°C (erime sıcaklığının yaklaşık 30°C üzerinde) | |
| Ölçüm boşluğu | 1 mm | 1 mm |
| Frekans | 1 Hz | 10-3 ila 10 Hz |
| Kayma gerinimi (γ*) | 1 ila %100 | - |
| Kayma gerilimi (σ*) | - | 1,000 Pa |
Genlik taraması sırasında elde edilen eğriler kayma geriliminin bir fonksiyonu olarak da gösterilebilir (Şekil 4B). Sonraki frekans taraması için numuneye 1000 Pa'lık bir kayma gerilimi uygulanmıştır.
Şekil 5'te dönme ölçümünden elde edilen kayma viskozitesi (mavi) ile frekans taramasından elde edilen kompleks viskozite (turuncu) gösterilmektedir. Her iki eğri de 10-2 ve 2 rad/s arasında iyi bir uyum içindedir. Sonuç Bir polipropilen eriyiğinin kayma viskozitesi ve kompleks viskozitesi bir dönme ve bir salınım ölçümü ile karşılaştırılmıştır. Polimere sabit bir akış uygulanabildiği sürece, kayma viskozitesi ve kompleks viskozite arasında iyi bir uyum gösterilebilir. Bu davranış Cox-Merz kuralından beklenmektedir. Akış kararsızlıklarının meydana geldiği daha yüksek kesme hızları için, artık sabit bir akışa ulaşılamaz. Burada, Cox-Merz kuralı çok kullanışlıdır çünkü kompleks viskoziteyi kullanarak kayma viskozitesi bilgisini ortaya koyar. Erimiş polipropilen eriyiklerinde rotasyon ve salınım ölçümleri sırasında kayma viskozitesi (η, mavi) ve kompleks viskozite (η*, turuncu) 5 yukarıda tartışılan sonuçlar: Daha yüksek kesme hızlarında meydana gelen akış kararsızlıkları, akışın zamandan bağımsız olmasını engeller. Sonuç olarak, dönme ölçümü ile güvenilir sonuçlar elde edilememektedir. Bununla birlikte, Cox-Merz'in uygulanması, kararlı durum kayma viskozitesinin kolayca belirlenmesini sağlar: Bir salınım ölçümü gerçekleştirdikten sonra açısal frekansın bir fonksiyonu olarak karmaşık viskozitenin elde edilmesi yeterlidir.
Sonuç
Bir polipropilen eriyiğinin kesme viskozitesi ve kompleks viskozitesi, bir rotasyonel ve bir osilasyon ölçümü vasıtasıyla karşılaştırılmıştır. Polimere sabit bir akış uygulanabildiği sürece, kesme viskozitesi ve kompleks viskozite arasında iyi bir uyum gösterilebilmiştir. Bu davranış Cox-Merz kuralından beklenmektedir. Akış kararsızlıklarının meydana geldiği daha yüksek kesme hızları için, artık sabit bir akışa ulaşılamaz. Burada, Cox-Merz kuralı çok kullanışlıdır çünkü kompleks viskoziteyi kullanarak kesme viskozitesi bilgisini ortaya koyar.