塑料被广泛使用的高分子材料采用多样化的应用程序和大范围流行的消费产品。欧洲杯足球竞彩
聚合物用于生产塑料通常在高温处理,处理这些处于熔融状态。正确理解他们的融化,变形和流动是有效的核心处理和将这些转变为最终产品。
聚合物被视为粘弹性材料,这意味着他们表现出粘性(液状物)和弹性(固体)的属性欧洲杯足球竞彩。他们的高分子量和化学结构导致聚合物熔体表现出复杂的流动和变形行为。
优化混合和配方的能力是依赖于一个良好的知识聚合材料的粘弹性性质。这些知识也是至关重要的,一个过程适应特定的属性材料。
聚合物熔体的分子结构、测试条件或处理条件通常会决定它的粘性和弹性行为占主导地位。
太多的弹性可能导致流异常和不良影响在一系列共同的处理步骤,1例如,熔体流可能膨胀挤出机的狭窄的死。
图1显示一个系列的其他例子的流异常所引起的弹性聚合物流体的性质。
图1所示。典型的粘弹性聚合物流体流量异常。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
两个工具频繁使用的测量聚合物熔体粘度是毛细管粘度计和熔体流动指数。这些工具不提供任何见解的粘弹性性质测试样本,然而。
相比之下,使用旋转流变仪与能力进行流变测试小振荡机械荷载可以为用户提供一个健壮的和全面的调查这些属性。
本文提供了一个概述的各种流变测试可以使用旋转流变仪进行。它还概述了这些测试的结果如何与各种加工条件和最终产品的属性。
转动和振动测试——Cox-Merz法则
流变学被广泛认为是一个很好的工具,分析聚合物的机械性能在各种物理状态。全面的测试方法可以用来描述聚合物材料的流变行为。欧洲杯足球竞彩
旋转稳态剪切实验提供一种测量非牛顿粘度稀释和semi-dilute聚合物解决方案,但振荡剪切变形的应用仍是选择的测试方法对聚合物熔体和固体。
这是因为聚合物熔体的高弹性和他们倾向于导致边缘失败当暴露在大变形典型旋转流变仪。
Cox-Merz统治国家,当复杂的粘度(Iη*我)来源于振荡频率扫描测量绘制对角频率(ω),这将是相同的稳态剪切粘度对剪切速率决定通过旋转测试策划。2
Cox-Merz规则是一个经验法则适用于广泛的聚合物熔体和解决方案。
图2比较粘度轮流从流变测试获得的数据与数据获得的振动模式。
图2。比较从一个稳态剪切粘度数据(红色标志)和一个振荡频率扫描测试(绿色符号)。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
粘度开始减少的牛顿(零剪切粘度)高原。在这一点上,剪切粘度(红色标志)突然下降,不再显示平稳和持续发展。
这可观测的下降是样本的结果断裂的边缘测量几何,这一现象引起的二次流。1应该指出的是,振荡频率扫描(绿点)提供更高的数据质量和能容纳一个更广泛的频率范围。
振荡频率扫描的增强的测试范围是由于小振幅的振荡剪切。因此,进行振荡频率扫描和应用Cox-Merz规则是选择时获得的方法为高分子材料剪切粘度数据。欧洲杯足球竞彩
使用振幅扫描测试来识别Linear-Viscoelastic范围
重要的是,应用正弦振动变形相对较小,材料的线性粘弹性范围内(LVR)以确保粘度频率扫描实验数据具有可比性。
当内维护其LVR,材料的微观结构保持不变。其流变特性也将保持不变和变形的外加应力的影响;例如,存储和损耗模量(G, G”分别)或复杂的粘度。
应该一个关键变形或应力值,这将促使材料的微观结构变化,并反过来,其流变参数。
确定材料的线性粘弹性范围,有必要进行振荡幅度扫描测试。这个测试必须以恒定频率和执行涉及逐渐增加的正弦变形或应力流变仪的应用。
振幅扫描的结果低密度聚乙烯在190°C是显示在图2。
在本文的示例中,流变仪软件自动计算的结束这个LDPE熔体的线性粘弹性范围,确定这是等于55%的变形。
执行额外的测试也是明智的振荡模式变形低于这个临界值,例如,频率、温度或时间扫描测试。这是不必要的测试LVR之外,然而。
应该是必要的执行频率扫描测试在宽频率范围的几个数量级,建议采取一系列不同频率的振幅清洁工LVR内确保选定的变形在整个频率范围内。
图3。储能模量G’,损耗模量G”和复杂的粘度Iη*我的函数变形对LDPE熔体在γ1赫兹和190°C。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
使用频率扫描测试来确定材料的粘弹性指纹
多样化的信息可以从执行流变测试获得的振动模式。
例如,通过振荡剪切rate-dependent粘度数据的采集频率扫描试验可以使用Cox-Merz规则量化处理材料的流阻在高剪切加工应用,如注塑或挤出。
相比之下,低频率/剪切数据(例如,零剪切粘度/η0)可以用来计算的平均分子量(Mw)聚合物熔体。这是实现通过以下公式:
在这个方程中,前因子(k)是依赖于聚合物的分子结构。3与一个线性方程1适用于聚合物链结构和分子量高于临界值(Mc)。
图4显示一个聚苯乙烯熔体粘度曲线的例子,突出相应的剪切速率范围中遇到几个常规处理应用程序。
图4。聚苯乙烯熔体的剪切速率不同粘度和典型应用。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
频率扫描数据也提供了一种直接测量聚合物的粘性和弹性性质。这些属性是由存储和损失模(分别为G, G”),通常以不同的频率和时间尺度。
从这些数据可以说明材料的总体结构,在其分子量(M和有价值的信息w)和分子量分布(随钻测量)。
可以采用重复频率扫描测量在一个狭窄的频率范围来捕获交叉点。因此,这使得检测的热降解,引发改变MW和随钻测量。
图5展示了一个例子交叉点转变,强调在G = G”和兆瓦或随钻测量不同否则相同的聚合物熔体。
图5。储能模量G’,损耗模量G”和复杂的粘度Iη*我的函数的角频率ω聚苯乙烯熔体在190°C。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
流异常造成的聚合物熔体的弹性可能影响产品质量的挤压和其他聚合物处理应用程序。
图6对比储能模量数据作为一个函数的应用频率的聚乙烯样品不同熔体流动指数(MFI)。
图6。储能模量G函数的角频率ω为聚乙烯熔体与不同的小额信贷机构在190°C。准备的图片显示,挤压线双螺杆挤出过程中融化。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
这三个处理PE样品在相同的条件下使用16毫米平行双螺杆挤出机。
一旦他们达到了机筒,融化被迫通过垂直杆毛细管模直径1毫米和10 L / D的比值。激光测微计是用来测量挤出物的膨胀。
0.5毫米的膨胀,结果发现总链直径1.5毫米的PE分子量和最高最低的小额信贷机构(~ 20)。链甚至退出挤压线作为链没有可观察到的表面缺陷(图6)。
PE样品展示媒介MFI(~ 2)显示一个不均匀的表面结构变化的直径,而PE样品表现出最低的小额信贷机构(~ 0.2)和最高分子量明显融化的迹象显示骨折在挤压条件下还用于其他的样品。
考试的流变数据强调了三个样本是明显不同的弹性(G)。这是特别流行在最低频率(102在G Hz),值的不同在一个或多个数量级。
储能模量也提供弹性的一个敏感指标合并由高分子量的尾巴。
图7比较共有三个频率扫描的结果进行一个低分子量低密度聚乙烯和两个相同的低密度聚乙烯的混合也出现一个小的重量分数高分子量聚乙烯。
图7。储能模量G和损耗模量G”的函数的角频率ω低分子量聚乙烯熔体混合和两个在190°C。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
G”显示了这三个明显差异融化在低频率范围,和一小部分1 wt %的高分子量聚乙烯也可以检测到。
应该注意的是,很少有可能查看使用这些小差异凝胶渗透色谱法(GPC)或相关技术来确定分子量分布。
MFI成果通过毛细管粘度计也未能揭示三个样品之间的差异。
储能模量数据获得通过振荡频率扫描试验仍是最敏感的指标高分子量聚合物熔体的尾巴。
获得这个数据是很重要的,因为即使是少量的高分子量部分会导致流异常,最终聚合物链的质量产生负面影响。
图5显示流变数据在一个角频率范围从低于102rad / s / 104 rad / s。收购流变数据等一系列需要超过一个单一的频率扫描测试。
低和高频率地区受限于时间问题(例如,一个振荡时间)或流变仪规范(例如,最大频率)。
这些限制使用的时间——温度叠加原理是可以克服的,然而。
使用的时间——温度叠加原理扩展测量范围
单一频率扫描测试通常会覆盖2和4之间的数量级。应用程序的时间——温度叠加(TTS)原则可以有效地扩展数据范围超出了低收入和高端频率。
TTS利用一项原则,即温度和频率(时间)影响聚合物熔体的粘弹性行为以相似的方式,3这意味着它可以执行一系列频率扫过一个较小的范围在不同的温度下。
选择一个数据集(温度)作为参考,允许生成主曲线通过其他结果转向参考曲线。
因此,可以获得流变数据在更广泛的频率范围使用TTS原则时,特别是当比较单一频率扫描实验。
TTS适用于许多聚合物融化和混合,但这是通常只有一个可行的工具使用时在一个有限的温度范围。4
图8显示结果的频率扫描测试在不同的温度下进行的。
TTS原理应用于这些结果,190°C选择作为参考温度,生成主曲线(图8 b)包括粘弹性数据频率几乎8个数量级。
图8。应用程序与聚苯乙烯熔体Time-Temperature-Superposition原则。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
可以将主曲线划分为三个地区。在低频段,样品在终端区域促使聚合物熔体展览主要是粘性的行为。
码头地区的材料行为是由长分子链松弛过程,而G和G”通常有斜坡2和1的双对数图在这个地区。
在中频段,然而,一个过渡发生与G和G”之间的交叉。在这种情况下,粘弹性行为主要是由聚合物的分子量分布。
在最高频率,样品展览主要弹性行为,与G大于G”。在这种情况下,聚合物的行为是由最短的聚合物链的快速放松运动。
G和G”在宽频率范围内获得的数据也可以用于计算分子量和分子量分布的相当数量的线性热塑性均聚物。
这是通过确保测试频率范围包括低频数据终端区域的高频高原地区。
使用动态机械热分析调查最终产品属性
还可以利用旋转流变仪动态机械热分析(DMTA),将这一技术应用于固体,长方形的聚合物标本。
DMTA测试包括材料接触振动机械激发而温度是不断改变的。
数据获得在整个过程中可以用来确定相变特征,例如,玻璃化转变,融化和/或结晶聚合物基质中。
DMTA也可以用来评估最终产品性能和调查特定基于应用程序的健壮性属性,如脆性、刚度、阻尼和抗冲击性。
图9显示了一个例子DMTA测试进行半晶状的polyetheretherketone (PEEK)样本。
图9。储能模量G,损耗模量G”和tanδpolyetheretherketone作为温度的函数。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
这是测试从低于其玻璃化转变到略低于熔化温度,使用专门的固体夹紧工具支持的用于旋转流变仪。5
实验室规模的注塑系统被用来准备矩形样本。6材料的玻璃化转变下使用不同的指标可以确定流变测试,与最常见的度量利用最大损耗模量G”。
初始储能模量G”或减少的最大tanδ(G / G)也可以用来强调玻璃化转变。
在图9中,提供的示例中最大的G”存在于更广泛的过渡范围的中心,而G”的发病减少接近过渡的开始。tanδ的最大发现接近这个范围的结束。
图10展示了广义行为的聚合物样品在温度扫描测试。
图10。广义的行为DMTA聚合物样品的测试。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
半晶状的聚合物总是从一个玻璃在低温地区,转向一个橡胶高原,最终融化状态,当受到更高的温度。
步骤从玻璃橡胶高原地区是高度依赖于聚合物的结晶度随着聚合物晶体领域的程度增加,这反过来,使这两个地区之间的阶梯高度下降。
还应该指出,低分子量聚合物不表现出坚韧的高原。在这些例子中,玻璃化转变完成后,材料会改变软融化与G的减少与增加温度。
然而,交联聚合物不融化。这些仍处于弹性状态,直到热分解的发作。
具体的测试的好处
扩展是第三个主要流型,可以调查流变。外延流发生在流程如喷涂和容器,但这些都不是很常见的聚合物熔体。
相反,外延往往发生在聚合物熔体流动过程的吹膜、纤维纺纱、注塑或挤出泡沫。
图11显示了瞬时拉伸粘度范围的外延形变率两种不同聚乙烯样品。
图11。外延粘度作为non-branched HDPE应变率的函数(上)和高度支化低密度聚乙烯(底部)。所有测试都是在150°C。图片来源:热费希尔科学——材料和结构分析欧洲杯足球竞彩
这些测试进行了使用Sentmanant外延流变仪(SER)夹具设计用于旋转流变仪。7
左边的图显示的张性行为non-branched高密度聚乙烯(HDPE)样本-没有可观察到的应变硬化发生这种类型的材料。
右边的图显示相同的实验的结果和执行一个高度支化低密度聚乙烯(LDPE)样本。
图片中的红色曲线表明瞬态剪切粘度根据Trouton比例乘以三个单轴扩展。8通过旋转剪切粘度数据收购一步实验。
支LDPE试样的张性行为明显不同于行为中观察到剪切流,与线性HDPE样本。显示的LDPE试样剪切硬化行为在具体的测试中,特别是在更高的变形速率。
聚合物加工技术应变硬化行为提供了优势,包括电影吹或纤维纺纱。全面了解聚合物材料的张性行为是优化其最终产品性能的关键因素。
这种行为不能被衡量和评估使用标准旋转流变测量。
结论
知识聚合材料的粘弹性性质是优化配方和混合的关键,一个过程适应适应特定材料的特性,并减少流量异常的风险。
旋转流变仪进行适当的使用流变测试促进调查的聚合物的粘弹性行为;从melt-state固态和之间的所有点。
获得的数据可以用于处理条件和最终产品性能的优化,以及建立结构性的财产关系。
其实用性和适用性流变测试的主要因素分析中广泛使用的聚合物流体,在工业和学术界。
引用
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确认
从材料最初由费边迈耶和奈特克欧洲杯足球竞彩劳福德从热科学。
这些信息已经采购,审核并改编自热费希尔科学所提供的材料,材料和结构分析。欧洲杯足球竞彩
在这个来源的更多信息,请访问热费希尔科学——材料和结构分析。欧洲杯足球竞彩