Реология

Корреляция вязкости расплава полимера в случае полиэтилентерефталата с внутренней вязкостью раствора IV.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) представляет собой гигроскопичный полимер из семейства полиэстеров, абсорбирующий и связывающий своей молекулярной структурой влагу, находящуюся в окружающем воздухе. Это оказывает огромное влияние на поведение течения и реологические параметры расплава полимера. Обычно влага действует как размягчитель и повышает текучесть расплава полимера. В результате, параметры индекса течения (MFR) у PET-материалов сильно обусловлены их уровнем влажности после сушки и редко предоставляются их поставщиками. Внутренняя вязкость (IV) обычно используется производителями PET в качестве спецификации различных видов PET. Измерения IV обычно проводятся путем растворения небольшого количества полимера в соответствующем растворителе (например, феноле) при лабораторной температуре. В результате на параметр IV из вискозиметра разбавленного раствора не влияет содержание влаги в смоле, что устраняет необходимость сушки образцов перед тестами. Однако в этом методе используются вредные растворители, без которых такие измерения невозможны. Их приобретение и утилизация стоят дорого. 

Серия капиллярных реометров Dynisco LCR имеет функцию обеспечения корреляции данных сдвиговой вязкости с внутренней вязкостью IV у PET материалов. Идея такой корреляции заключалась в том, что как вязкость с нулевым напряжением, так и внутренняя вязкость (IV) связаны с молекулярной массой полимера. Это связано с тем, что вязкоупругие свойства полимерных материалов зависят от молекулярного движения и плетения цепочек. Полимеры с более высокой молекулярной массой имеют большее заплетение цепочки, что может привести к увеличению сдвиговой вязкости или внутренней вязкости.

В случае полимеров с высоким заплетением, взаимосвязь между вязкостью при нулевом сдвиге и молекулярной массой определяется уравнением Фокса-Флори, как показано ниже [1].

Где eta0 — вязкость при нулевом сдвиге, а K — константа, зависящая от типа полимера. С другой стороны, уравнение Марка-Хаувинка определяет отношение между внутренней вязкостью полимера и его молекулярной массой, как показано ниже [2]

Где é-ta — внутренняя вязкость, а К и alfa — параметры Марка-Хаувинка, зависящие от конкретной системы полимер-растворитель. Для большинства полимеров значение составляет 0.5 0,5–0,8. Очевидно, что изменения молекулярной массы полимера с высокой степенью запутывания влияют на вязкость расплава больше, чем на внутреннюю вязкость.

Оба уравнения (2) и (4) относятся к молекулярной массе. Таким образом, вязкость расплава и внутренняя вязкость могут быть взаимосвязаны. Комбинация этих уравнений обеспечивает взаимосвязь между нулевой сдвиговой вязкостью и внутренней вязкостью, не зависящей от значения молекулярной массы, как показано ниже:

Как видно, для сильно запутанного, линейного и монодисперсного полимера с узким распределением молекулярной массы график логарифмической зависимости внутренней вязкости от логарифма нулевой сдвиговой вязкости дает прямую линию с наклоном альфа / 3,4.

Рисунок 2, полученный Рейли и др. [3] показывает такое отношение для образца PET с различным содержанием влаги. Вязкость с нулевой скоростью сдвига была получена с использованием капиллярного реометра при температуре 285°С. Измерения внутренней вязкости проводились с использованием вискозиметра разбавленного раствора при комнатной температуре (25 °С) и соотношении фенол/TCE 60/40.

Рисунок 1. График зависимости сдвиговой вязкости от скорости сдвиговой деформации для различных образцов PET и их результирующие значения внутренней вязкости (IV).

С использованием приведенного выше соотношения, серия капиллярного реометра Dynisco LCR может предоставить информацию о внутренней вязкости образцов PET, выполнив тесты при 285 °C. Образцы должны быть надлежащим образом высушены для достижения требуемого уровня содержания влаги. Точки на рисунке выше показывают результирующую кривую течения (зависимость кажущейся вязкости при сдвиге от кажущейся скорости сдвиговой деформации), для измерения значения вязкости при нулевом сдвиге необходимо применять модель Кросса.

Рисунок 2. Зависимость между вязкостью при нулевом сдвиге и внутренней вязкостью образцов PET с разным содержанием влаги.

Подобные онлайн-реометры Dynisco ViscoIndicator, которые непрерывно отслеживают реологические свойства экструзионной линии, также могут предоставлять информацию о внутренней вязкости IV экструдатов. Рисунок 3 показывает измерение сдвиговой вязкости и внутренней вязкости некоторых образцов PET при помощи онлайн-реометра ViscoIndicator. Образцы экструдировались в экструдере для отбора проб Dynisco REX при определенных оборотах шнека и давлении в экструзионной головке. Эта информация особенно полезна в отрасли переработки PET, где требуется, чтобы переработчик постоянно поддерживал качество гранулята в процессе переработки.

Рисунок 3. Вязкость при сдвиге и измерение внутренней вязкости экструдатов PET с при помощи онлайн-реометра Dynisco ViscoIndicator

Измерение внутренней вязкости при помощи реометров вызвало широкий интерес у обработчиков/переработчиков PET в пластмассовой промышленности, поскольку не требуется использование и утилизация вредных растворителей. Кроме того, они больше подходят для измерения показателя текучести, а также для автоматизации и измерения в ходе технологического процесса и могут обеспечить своевременный ввод данных для управления процессом [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.