Reologie

Korelace viskozity polymerní taveniny PET na vnitřní viskozitu roztoku IV

Polyethylen tereftalát (PET) je hydroskopický polymer z rodiny polyesterů, která absorbuje a váže vlhkost na jejich molekulární strukturu, pokud je v okolním vzduchu. To má obrovský vliv na tokové chování a reologické parametry polymerní taveniny. Normálně vlhkost působí jako změkčovadlo a zvyšuje tekutost taveniny polymeru. Výsledkem je, že parametry indexu toku (MFR) u PET materiálů jsou silně ovlivněny jejich hladinou vlhkosti, které jsou podmíněné sušením a zřídka jsou poskytovány jejich dodavateli. Vnitřní viskozita (IV), se mezi výrobci PET běžně používá jako specifikace různých druhů PET. IV měření se normálně provádí rozpuštěním malého množství polymeru v příslušném rozpouštědle (např. Fenolu) při laboratorní teplotě. Výsledkem je, že parametr IV z viskozimetru zředěného roztoku není ovlivněn obsahem vlhkosti pryskyřice, což odstraňuje nutnost sušení vzorků před testy. Avšak tato metoda zahrnuje škodlivá rozpouštědla, bez kterých tyto měření nejsou možná. Jsou nákladná na pořízení i likvidaci. 

Korelace viskozity polymerní taveniny u polyethylen tereftalátu na vnitřní viskozitu roztoku IV.

Polyethylen tereftalát (PET) je hydroskopický polymer z rodiny polyesterů, která absorbuje a váže vlhkost na jejich molekulární strukturu, pokud je v okolním vzduchu. To má obrovský vliv na tokové chování a reologické parametry polymerní taveniny. Normálně vlhkost působí jako změkčovadlo a zvyšuje tekutost taveniny polymeru. Výsledkem je, že parametry indexu toku (MFR) u PET materiálů jsou silně ovlivněny jejich hladinou vlhkosti, které jsou podmíněné sušením a zřídka jsou poskytovány jejich dodavateli. Vnitřní viskozita (IV), se mezi výrobci PET běžně používá jako specifikace různých druhů PET. IV měření se normálně provádí rozpuštěním malého množství polymeru v příslušném rozpouštědle (např. Fenolu) při laboratorní teplotě. Výsledkem je, že parametr IV z viskozimetru zředěného roztoku není ovlivněn obsahem vlhkosti pryskyřice, což odstraňuje nutnost sušení vzorků před testy. Avšak tato metoda zahrnuje škodlivá rozpouštědla, bez kterých tyto měření nejsou možná. Jsou nákladná na pořízení i likvidaci. 

Řada kapilárních reometrů Dynisco LCR má funkci zajišťující korelaci údajů o smykové viskozitě s vnitřní viskozitou IV u PET materiálů. Myšlenka této korelace byla v tom, že stejně jako viskozita s nulovým napětím, tak i vnitřní viskozita (IV) souvisí s molekulovou hmotností polymeru. Důvodem je to, že viskoelastické vlastnosti v polymerních materiálech jsou závislé na molekulárním pohybu a řetězovém zapletení. Polymery s vyšší molekulovou hmotností mají vyšší propletení řetězce, což může vést ke zvýšení smykové viskozity nebo vnitřní viskozity.


U polymerů s vysokým propletením je vztah mezi viskozitou s nulovým smykovou a molekulovou hmotností dán Fox-Floryovou rovnicí, jak je uvedeno níže [1]

Kde eta0 je nulová smyková viskozita a K je konstanta závislá na typu polymeru. Na druhé straně, Mark-Houwinkova rovnice definuje vztah mezi vnitřní viskozitou polymeru a jeho molekulovou hmotností, jak je uvedeno níže [2]

Kde é-ta je vnitřní viskozita a K a alfa jsou Mark-Houwink parametry a závisí na konkrétním systému polymer-rozpouštědlo. Pro většinu polymerů je hodnota 0.5 0,5-0,8. Je zřejmé, že změny v molekulové hmotnosti polymeru s velkým propletením ovlivňují viskozitu taveniny více než vnitřní viskozitu.

 

Obě rovnice (2) a (4) se vztahují k molekulové hmotnosti. Viskozita taveniny a vnitřní viskozita tedy mohou spolu souviset. Kombinace těchto rovnic poskytuje vztah mezi nulovou smykovou viskozitou a vnitřní viskozitou nezávislou na hodnotě molekulové hmotnosti, jak je uvedeno níže:

Jak je vidět, pro vysoce zamotaný, lineární a monodisperzní polymer s úzkým rozdělením molekulové hmotnosti, graf logaritmu vnitřní viskozity vs logaritmus nulové smykové viskozity udává přímku se sklonem alfa / 3,4.

Obrázek 2, který získal Reilly et. al. [3] ukazuje tento vztah pro vzorek PET s různým obsahem vlhkosti. Viskozita s nulovou smykovou rychlostí byly získány za použití kapilárního reometru při teplotě 285°C. Měření vnitřní viskozity byla prováděna za použití viskozimetru zředěného roztoku při pokojové teplotě (25°C) a poměru 60/40 fenol / TCE.

 

Obrázek 1. Graf smykové viskozity vs rychlost smykové deformace  pro různé vzorky PET a jejich výsledné hodnoty vnitřní viskozity (IV).

S využitím výše uvedeného vztahu může řada kapilárního reometru Dynisco LCR poskytnout informaci o vnitřní viskozitě vzorků PET provedením testu při 285°C. Vzorky musí být řádně vysušeny, aby dosáhly požadované úrovně obsahu vlhkosti. Jak ukazují body z výše uvedeného obrázku, výsledná toková křivka (zdánlivá smykové viskozity vs zdánlivá rychlost smykové deformace) a musí být aplikován Crossuv model, aby se změřila hodnota viskozity s nulovým smykem.

Obrázek 2. Vztah mezi viskozitou s nulovým smykem a vnitřní viskozitou vzorků PET s různým obsahem vlhkosti.

Podobně online reheometry Dynisco ViscoIndicator, které nepřetržitě monitorují reologické vlastnosti extruzní linky, jsou rovněž schopny poskytnout informace o vnitřní viskozitě IV extrudátů. Obrázek 3 ukazuje měření smykové viskozity a vnitřní viskozity některých vzorků PET pomocí online reheometru ViscoIndicator. Vzorky byly extrudovány ve vzorkovacím extrudéru Dynisco REX při specifických otáčkách šneku u a tlaku vytlačovací hlavy. Tato informace je zvláště výhodná v recyklačním průmyslu PET, který vyžaduje, aby zpracovatel neustále udržoval kvalitu granulatu v procesu recyklace.

Obrázek 3. Smyková viskozita a měření vnitřní viskozity PET extrudátů pomocí online reheometru Dynisco ViscoIndicator

Měření vnitřní viskozity pomocí reometrů zaznamenal široký zájem mezi zpracovateli / recyklovateli PET v plastikářském průmyslu, protože se nevyžaduje použití a likvidaci škodlivých rozpouštědel. Kromě toho jsou vhodnější k měření indexu toku a pro automatizaci a měření v průběhu procesu a mohou poskytovat včasný vstup pro řízení procesu [4].

Použité zdroje:

[1] Dealy, J. M., & Wissbrun, K. F. (2012). Melt rheology and its role in plastics processing: theory and applications. Springer Science & Business Media.

[2] Sperling, L. H. (2005). Introduction to physical polymer science. John Wiley & Sons.

[3] Reilly, J. F., & Limbach, A. P. (1994). Correlating melt rheology of PET to solution intrinsic viscosity. KAUTSCHUK UND GUMMI KUNSTSTOFFE, 47, 271-271.

[4] Whelan, T., & Brydson, J. (2202). “Practical Rheology Handbook.” Edited by. De Laney D. E., 3rd Edition, Scribd, www.scribd.com/doc/81343769/Practical-Rheology-Handbook.