مقياس الانسياب الشعري ISO 11443 ASTM D3835 مقياس الانسياب الشعري ISO 17744 ASTM D5099 مختبر الخواص الريولوجية للبوليمرات مقياس الانسياب الشعري

مقدمة

تظهر المواد المطاطية والبلاستيكية سلوكًا ريولوجيًا. الريولوجيا هو المصطلح الجماعي للتدفق والتشوه. عادةً ما تستخدم دراسة سلوك التدفق جهاز قياس اللزوجة الشعري، وهو جهاز مصمم لإحداث تدفق في مصهور البوليمر تحت تأثير إجهاد القص. من خلال القياس المباشر لمعاملين - إجهاد القص ومعدل انفعال القص - يمكن حساب المنحنى الذي يوضح كيفية تغير اللزوجة مع معدل القص؛ وهذا ما يعرف بمنحنى اللزوجة. تحاكي منهجية القياس لجهاز قياس اللزوجة الشعري عمليات الإنتاج الفعلية عن كثب، وبالتالي توفر توجيهًا عمليًا مباشرًا للبحث والتطوير والتصنيع في مجال المواد الصناعية. حيث: α = لزوجة القص (باسكال.ثانية)؛ σ = إجهاد القص (باسكال). تمثل اللزوجة المقاومة للتدفق. تعتمد اللزوجة على كل من درجة الحرارة ومعدل الانفعال. يمكن تحديد اعتماد اللزوجة على معدل الانفعال من دفعة واحدة من المواد في اختبار واحد، مما ينتج عنه 8 إلى 10 نقاط بيانات عبر معدلات مختلفة. على العكس من ذلك، يتطلب تحديد اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة عادةً إجراء اختبارات متعددة في درجات حرارة مختلفة ومتميزة.

جهاز قياس اللزوجة الشعري: يستخدم هذا الجهاز لقياس العلاقة بين إجهاد القص ومعدل القص في مصهورات البوليمرات التي تتدفق عبر قالب شعري؛ يسمح بالفحص البصري المباشر لشكل المادة المبثوقة، ويمكّن من التحقيق في مرونة المصهور وعدم استقراره عن طريق تغيير نسبة طول القالب إلى قطره، ويسهل تحديد انتقالات طور البوليمر، من بين تطبيقات أخرى. لا يوفر البحث في الخواص الريولوجية للبوليمرات معلمات المعالجة المثلى لعمليات التصنيع ويزود بيانات حرجة لتصميم آلات معالجة البلاستيك فحسب، بل يوفر أيضًا رؤى قيمة - مثل المعلمات الهيكلية والجزيئية - التي تعتبر ضرورية لاختيار المواد وتعديل المواد الخام. علاوة على ذلك، يوفر هذا الجهاز نطاقًا أوسع من أوضاع محاكاة المعالجة ويغطي طيفًا أوسع من معدلات القص.

التطبيقات

بينما يستخدم مقياس مؤشر تدفق المصهور (MFI) بشكل أساسي لمراقبة الجودة والفحص، فإن جهاز قياس اللزوجة الشعري مخصص بشكل أساسي لأغراض البحث والتطوير.

1. توفير بيانات علمية لوضع عمليات الإنتاج: تخضع معالجة وتصنيع المواد الخام البلاستيكية بشكل أساسي للتحكم في معلمتين رئيسيتين: أولاً، درجة الحرارة؛ وثانياً، السرعة (على وجه التحديد، معدل القص).

1.1 توفير بيانات متعلقة بدرجة الحرارة: عن طريق قياس منحنيات التدفق عند درجات حرارة مختلفة مع الحفاظ على معدل قص ثابت، يمكن اشتقاق منحنى يوضح كيفية تغير لزوجة المادة استجابةً لتقلبات درجة الحرارة. هذا يسمح بتحديد حساسية المادة لدرجة الحرارة؛ إذا كان ميل منحنى التدفق ودرجة الحرارة حادًا (أي، يظهر تدرجًا كبيرًا)، فهذا يشير إلى أن المادة حساسة جدًا لتغيرات درجة الحرارة. على العكس من ذلك، إذا كان المنحنى الذي يوضح تغيرات اللزوجة مع درجة الحرارة مسطحًا نسبيًا، فهذا يشير إلى أن المادة غير حساسة لتقلبات درجة الحرارة. بطبيعة الحال، يسهل المنحنى تحديد درجة الحرارة المحددة التي يظهر عندها المصهور خصائص تدفق مثالية - مما يجعله مناسبًا للمعالجة والإنتاج؛ وهذا يشكل الأساس العلمي لوضع عمليات الإنتاج.

بالنسبة للمواد التي تكون منحنيات تدفقها حساسة جدًا لدرجة الحرارة - مثل النايلون - فإن الحفاظ على تحكم دقيق في درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية لضمان جودة المنتج. على النقيض من ذلك، بالنسبة للمواد غير الحساسة نسبيًا لدرجة الحرارة، فإن مجرد تعديل درجة الحرارة سيكون له تأثير ضئيل على جودة المنتج.

1.2 توفير بيانات معدل القص: عن طريق قياس منحنى التدفق عند معدلات قص مختلفة مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، يمكن الحصول على منحنى يوضح كيفية تغير لزوجة المادة استجابةً لمعدل القص. تصنف المواد التي تظل لزوجتها ثابتة بشكل أساسي بغض النظر عن معدل القص على أنها سوائل نيوتونية؛ تصنف المواد التي تنخفض لزوجتها مع زيادة معدل القص (ظاهرة تعرف باسم "تخفيف القص") على أنها سوائل لزجة كاذبة - ومعظم مصهورات البوليمرات تقع ضمن هذه الفئة المخففة للقص.

هناك أيضًا فئة ثالثة: المواد التي تظهر "تثخينًا للقص" (تزداد اللزوجة مع زيادة معدل القص). من خلال تحليل الرسم البياني، يمكن تحديد نطاق معدل القص المحدد الذي ينتج خصائص تدفق مثالية وبالتالي يكون الأنسب للإنتاج والمعالجة. في بيئات الإنتاج الفعلية، يتم تعديل معدل القص عادةً عن طريق تغيير سرعة دوران المحرك.

لذلك، من الضروري إيلاء اهتمام وثيق لخصائص التدفق المعروضة ضمن نطاق معدل القص المحدد المقابل لطريقة الإنتاج المختارة.

2. توفير أساس علمي لتطوير مواد جديدة

2.1 عند تطوير مواد جديدة أو السعي لتحسين أداء المواد الحالية، يستخدم الباحثون عادةً تركيبات جديدة ونسب تركيبية، أو يدمجون مواد مالئة ومواد مضافة وعوامل مماثلة محددة في مصفوفة المادة. لأي مادة معينة - بغض النظر عن مكوناتها المحددة (التركيبة) أو النسب الدقيقة لتلك المكونات (النسبة التركيبية) - يتم استخدام جهاز قياس اللزوجة الشعري لقياس منحنى تدفقها. يعمل هذا القياس كأساس موضوعي لتقييم أداء المادة، وتحديد جودتها الإجمالية، والتحقق مما إذا كانت تلبي المواصفات المطلوبة. إذا كان أداء المادة أقل من المتطلبات، فقد يحاول الباحثون تحسينه عن طريق دمج مواد مضافة محددة. باستخدام جهاز قياس اللزوجة الشعري لقياس منحنيات التدفق *قبل* و *بعد* إضافة مادة مضافة - ومقارنة المنحنيات الناتجة لاحقًا - يمكن تحديد التأثير المحدد لكل مادة مضافة على خصائص تدفق المادة بدقة.

2.2 بالنسبة للمواد من نفس النوع، قد تختلف منحنيات تدفقها (اللزوجة مقابل معدل القص)؛ بعضها يظهر تغيرات سريعة استجابةً لمعدل القص، بينما يتغير البعض الآخر بشكل تدريجي. لماذا يحدث هذا؟ من المحتمل أن يكون أحد العوامل المساهمة الهامة هو الاختلافات الكبيرة في توزيع الوزن الجزيئي للمواد.

وظائف وميزات المعدات

1. جهاز قياس اللزوجة الشعري: هذا الجهاز هو جهاز قياس لزوجة شعري ذكي يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر، ويعمل بضغط ثابت. إنه قادر على العمل في وضعي الضغط الثابت والسرعة الثابتة، باستخدام أنظمة قياس قائمة على الكمبيوتر لتحديد معدلات البثق - عبر مواصفات قوالب شعرية مختلفة وتحت ضغوط مطبقة مختلفة - عند درجات حرارة مختلفة ومعدلات تسخين مختلفة. عبر واجهة الكمبيوتر، يتم تسجيل سرعة البثق والضغط ودرجة حرارة التسخين. تتم معالجة هذه البيانات تلقائيًا لحساب قيم اللزوجة. علاوة على ذلك، يقوم النظام بإنشاء منحنيات رسومية وطباعة تقرير اختبار شامل.

2. تم تصميم جهاز قياس اللزوجة الشعري لتحديد خصائص التدفق ومعدلات المعالجة للمواد البوليمرية. يقيس لزوجة مصهورات البوليمرات وطاقة تنشيط التدفق اللزج، ويمكن استخدامه أيضًا للتحقيق في معلمات المعالجة لتطبيقات الغزل بالذوبان.

3. جهاز قياس اللزوجة الشعري قادر على تحديد معلمات أداء مختلفة للبوليمرات، بما في ذلك نقاط التليين، ونقاط الانصهار، ونقاط التدفق، واللزوجة، وطاقة تنشيط التدفق اللزج، بالإضافة إلى درجات حرارة المعالجة للمواد المتصلبة حرارياً.

4. يتميز نظام التحكم في درجة الحرارة ومنهجية التحكم بأداء فائق، مما يسهل قياس التغيرات في المواد البوليمرية - وخصائصها المرتبطة بها - عبر نطاق من درجات الحرارة. الجهاز يتم التحكم فيه بواسطة الكمبيوتر؛ يرسم منحنيات اختبار في الوقت الفعلي، ويعرض بصريًا التغيرات الديناميكية أثناء الاختبار، وينشئ بيانات بناءً على معادلات مثل هاجن-بوازوي، ورابينوفيتش، ومعدل تدفق المصهور (MFR).

5. يستخدم جهاز قياس اللزوجة الشعري آلية تطبيق حمل تتميز بتصميم عقلاني. تحت التحكم بالكمبيوتر، يقوم بتطبيق حمل مستمر بدقة عالية واستقرار ممتاز. يمكن للجهاز رسم منحنيات الإجهاد والانفعال ومنحنيات التلدين للمواد البوليمرية، بالإضافة إلى تحديد درجات الحرارة المقابلة لنقطة التليين، ونقطة الانصهار، ونقطة التدفق. أخيرًا، يقوم بإنشاء منحنيات رسومية وطباعة تقرير اختبار كامل.

وظائف وطرق الاختبار

1. اختبار معدل القص الثابت: قادر على تحديد منحنيات إجهاد القص مقابل معدل القص، بالإضافة إلى منحنيات لزوجة القص مقابل معدل القص.

2. اختبار القص بالضغط الثابت: قادر على تحديد منحنيات لزوجة القص مقابل معدل القص.

3. اختبار معدل القص المتدرج: يسمح بتعيين معدلات قص مختلفة؛ قادر على تحديد منحنيات إجهاد القص مقابل معدل القص ومنحنيات لزوجة القص مقابل معدل القص. علاوة على ذلك، أثناء التجربة، يمكّن من تقييم ظروف كسر المصهور، بالإضافة إلى تحديد الحد الأدنى لضغط التدفق ومعدل القص للمصهور، بناءً على التغيرات الملحوظة في المنحنيات.

3.1 التدفق/عدم التدفق اختبار: يحدد العلاقة بين اللزوجة ودرجة الحرارة، مما يتيح تحديد دقيق لدرجة حرارة التدفق الدنيا.

3.2 كسر المصهور وعدم استقرار التدفق: يحقق في ظواهر عدم استقرار التدفق، بما في ذلك كسر المصهور وتمزق المصهور.

4. اختبار تدرج درجة الحرارة: يحدد تباين لزوجة المصهور مع زيادة درجة الحرارة.

5. اختبار تدرج درجة الحرارة بالضغط الثابت: يقيس نقطة تليين المادة.

معايير الاختبار المطبقة

GB/T 25278-2010: *البلاستيك - تحديد سيولة البلاستيك باستخدام أجهزة قياس اللزوجة الشعرية والشقية*

HG/T 4300-2012: *تحديد الخواص الريولوجية للمطاط - طريقة جهاز قياس اللزوجة الشعري من نوع المكبس*

ISO 11443-2021: *البلاستيك - تحديد سيولة البلاستيك باستخدام أجهزة قياس اللزوجة الشعرية والشقية*

ISO 17744-2004: *البلاستيك - تحديد سيولة البلاستيك باستخدام أجهزة قياس اللزوجة الشعرية والشقية*

ASTM D3835-16: *طريقة الاختبار القياسية لتحديد خصائص المواد البوليمرية بواسطة جهاز قياس اللزوجة الشعري*

ASTM D5099-08: *طريقة الاختبار القياسية لخصائص خلط ومعالجة المطاط باستخدام جهاز قياس اللزوجة الشعري*

LISO 11443 ASTM D3835 جهاز قياس اللزوجة الشعري ISO 17744 ASTM D5099 جهاز اختبار الخواص الريولوجية للبوليمرات جهاز قياس التدفق الشعري