Polimer Reolojisi ve Moleküler Kütle

Giriş

Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve sıkıştırma kalıplama işlemlerinin tümü bir malzemenin viskozitesine, yani akışa karşı direncine bağlıdır. Ancak viskozite sadece işlemeyi değil aynı zamanda nihai ürünün mekanik özelliklerini de etkiler. Özellikle, moleküler kütle ve viskozite yakından bağlantılıdır.

Aşağıda, üç farklı PEEK malzemesi Kinexus rotasyonel reometresinde salınım ölçümleri kullanılarak moleküler kütlelerine göre sınıflandırılmıştır.

Ölçüm Koşulları

Frekans ölçümleri PEEK 1, PEEK 2 ve PEEK 3 olarak adlandırılan üç malzeme üzerinde gerçekleştirilmiştir. Numuneye uygulanan gerinim (veya StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres), numunenin yapısını bozmayacak kadar düşük olmalıdır, böylece ölçüm doğrusal-viskoelastik aralık (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) içinde gerçekleştirilir. Bir genlik taraması, 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 sınırını belirlemek için bir ön ölçüm görevi görür. Tablo 1'de genlik ve frekans taramalarının koşulları gösterilmektedir.

Tablo 1: Salınım ölçümlerinin koşulları

Genlik Taraması: LVER'in Belirlenmesi (Doğrusal Visko-Elastik Aralık)

Şekil 1, PEEK 1 üzerindeki genlik taramasından elde edilen eğrileri kayma gerilmesinin bir fonksiyonu olarak göstermektedir. Yaklaşık %30'a kadar olan kayma gerilmeleri için - yaklaşık 10.000 Pa'lık bir kayma gerilmesine karşılık gelir - elastik kayma modülü G´ sabit kalır, bu da malzemenin 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'de bulunduğunu gösterir. Daha yüksek kayma gerilmeleri için G´'deki düşüş, numunenin yapısının bozulmasından kaynaklanmaktadır. Aşağıdaki frekans taraması için, 1.000 Pa'lık bir kayma gerilimi selected.

Frekans Taraması

Şekil 2, PEEK malzeme 1'in bir frekans taraması sırasında faz açısına ek olarak elastik ve kayıp kayma modüllerinin eğrilerini göstermektedir. Düşük frekanslar yönünde, kayıp kayma modülü elastik kayma modülüne baskın gelir ve 45°C'den daha yüksek bir faz açısına neden olur. G' ve G" eğrileri 15 Hz'lik bir frekansta kesişmektedir. Burada malzeme, polimer zincirlerinin çözülmek için zamana sahip olduğu (düşük frekanslar) sıvı ağırlıklı bir durumdan, zincirlerin birbirine kenetlendiği ve bir ağ gibi davrandığı (yüksek frekanslar) katı ağırlıklı bir duruma geçer.

Bazı Tanımlar

G*: Karmaşık kayma modülü
G': Depolama kayma modülü, G*'ye elastik katkı
G": Kayıp kayma modülü, G*'ye viskoz katkı
δ: Faz açısı

Faz açısı δ (δ = G"/G') bir malzemenin viskoz ve elastik özelliklerinin göreceli bir ölçüsüdür. Tamamen elastik bir malzeme için 0° ile tamamen viskoz bir malzeme için 90° arasında değişir.

Şekil 3 ve 4, aynı koşullar altında PEEK numuneleri 2 ve 3'ün frekans taramasını göstermektedir. Her iki malzemenin elde edilen eğrileri çok benzerdir ve ilk numuneden farklıdır. Tüm ölçüm sırasında, viskoz kayma modülü (G") elastik kayma modülüne (G') baskın gelir ve 45°'den daha yüksek bir faz açısına (δ) neden olur. Düşük frekanslar doğrultusunda, faz açısı artarak neredeyse maksimum değeri olan 90°'ye ulaşır. Başka bir deyişle, düşük frekanslarda (veya uzun zaman ölçeklerinde), numune herhangi bir elastik özelliği olmayan neredeyse tamamen viskoz bir sıvı gibi davranmaktadır. Ölçülen frekans aralığında herhangi bir geçiş tespit edilmemiştir, ancak G´ ve G" eğrileri artan frekanslarla birbirine doğru eğilim gösterdiğinden daha yüksek frekanslarda muhtemelen mevcuttur. Polimerlerin moleküler kütlesiÇapraz geçiş noktasıFrekans taraması veya zaman/sıcaklık taraması gibi reolojik testlerde, çaprazlama noktası numunenin "geçiş" noktasını belirtmek için uygun bir referans noktasıdır. çapraz geçişin konumu ile ilişkilidir: Geçiş frekansı ne kadar düşükse, moleküler kütle o kadar yüksektir.

Bu durumda, PEEK 1, PEEK 2 ve PEEK 3'ten daha yüksek bir moleküler kütleye sahiptir. PEEK 2 ve PEEK 3, elastik kesme modülü değerlerinde farklılık gösterir. Ölçülen tüm frekans aralığında PEEK 2 için PEEK 3'ten daha düşüktür (0,01 Hz'de bir on yıldan fazla fark). PEEK 2'nin kayıp kesme modülü de PEEK 3'ten daha düşüktür. Bu da PEEK 3 için daha yüksek bir sertlikle sonuçlanır.

Sıfır Kayma Viskozitesi Platosundan Moleküler Kütleye

Şekil 5, her üç numunenin kompleks viskozitesini (η) karşılaştırmaktadır. PEEK 1 ve PEEK 2'nin eğrileri neredeyse paraleldir, her ikisi de düşük frekans aralığında bir Newton platosuna ulaşır ve daha yüksek frekanslarda kayma inceltici bir davranış gösterir. Newton platosunun seviyesi polimerin moleküler kütlesi ile ilişkilidir: Moleküler kütle ne kadar yüksekse, sıfır viskozite de o kadar yüksek olur. [1]

Buna karşılık, numune 1'in kompleks viskozitesi (η*) azalan frekanslarla artmaya devam etmekte ve Newton platosuna 0,01 Hz frekansında hala ulaşılamamaktadır. Ayrıca, ölçülen tüm frekans aralığı için, bu PEEK malzemesi 0,01 Hz'de numune 2'ye göre 1,5 yıldan fazla farkla daha yüksek kompleks viskozite göstermektedir.

Her üç numunenin kayma viskozitesi platosu seviyesinden, PEEK 1'in daha yüksek bir moleküler kütleye sahip olduğu ve bunu PEEK 2 ve PEEK 3'ün izlediği sonucuna varılabilir. Bu, G´ ve G" eğrileri ile elde edilen sonuçları doğrulamaktadır.

Sonuç

Üç PEEK numunesinin reolojik davranışı Kinexus rotasyonel reometre kullanılarak karakterize edilmiştir. Kompleks viskozitenin sıfır-kayma viskozite platosunun değeri bakımından farklılık gösterirler. Bu, malzemelerin moleküler kütlelerindeki farklılıklardan kaynaklanmaktadır.