Einführung
Elastomere und Kunststoffe weisen ein rheologisches Verhalten auf. Rheologie ist der Sammelbegriff für Fließen und Verformung. Bei der Untersuchung des Fließverhaltens wird typischerweise ein Kapillarrheometer eingesetzt, ein Gerät, das dazu dient, unter dem Einfluss von Scherspannung einen Fluss in einer Polymerschmelze zu induzieren. Durch direkte Messung zweier Parameter – Scherspannung und Scherdehnungsrate – kann man die Kurve berechnen, die darstellt, wie sich die Viskosität mit der Scherrate ändert; Dies wird als Viskositätskurve bezeichnet. Die Messmethodik des Kapillarrheometers simuliert reale Produktionsprozesse eng und bietet so direkte praktische Orientierung für die industrielle Materialforschung, -entwicklung und -herstellung. wobei: α = Scherviskosität (Pa·s); σ = Scherspannung (Pa). Die Viskosität stellt den Strömungswiderstand dar. Die Viskosität hängt sowohl von der Temperatur als auch von der Dehnungsgeschwindigkeit ab. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Dehnungsgeschwindigkeit kann aus einer einzelnen Materialcharge in einem einzigen Testlauf bestimmt werden, was 8 bis 10 Datenpunkte über verschiedene Geschwindigkeiten hinweg ergibt. Umgekehrt erfordert die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Viskosität typischerweise die Durchführung mehrerer Tests bei verschiedenen unterschiedlichen Temperaturen.
Kapillarrheometer: Dieses Instrument wird verwendet, um die Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit in Polymerschmelzen zu messen, die durch eine Kapillardüse fließen. Es ermöglicht unter anderem die direkte visuelle Inspektion der Morphologie des Extrudats, die Untersuchung der Schmelzelastizität und -instabilität durch Variation des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der Düse und erleichtert die Bestimmung von Polymerphasenübergängen. Die Erforschung der rheologischen Eigenschaften von Polymeren liefert nicht nur optimale Verarbeitungsparameter für Fertigungsabläufe und liefert wichtige Daten für die Konstruktion von Kunststoffverarbeitungsmaschinen, sondern liefert auch wertvolle Erkenntnisse – wie strukturelle und molekulare Parameter –, die für die Materialauswahl und Rohstoffmodifikation von wesentlicher Bedeutung sind. Darüber hinaus bietet dieses Instrument eine größere Auswahl an Prozesssimulationsmodi und deckt ein breiteres Spektrum an Schergeschwindigkeiten ab.
Anwendungen
Während der Melt Flow Indexer (MFI) hauptsächlich zur Qualitätskontrolle und Inspektion eingesetzt wird, ist das Kapillarrheometer hauptsächlich für Forschungs- und Entwicklungszwecke bestimmt.
1. Bereitstellung wissenschaftlicher Daten zur Etablierung von Produktionsprozessen: Die Verarbeitung und Herstellung von Kunststoffrohstoffen wird hauptsächlich durch die Kontrolle zweier Schlüsselparameter gesteuert: erstens die Temperatur; und zweitens die Geschwindigkeit (insbesondere die Schergeschwindigkeit).
1.1Bereitstellung temperaturbezogener Daten: Durch die Messung von Fließkurven bei verschiedenen Temperaturen und gleichzeitiger Beibehaltung einer konstanten Scherrate kann eine Kurve abgeleitet werden, die veranschaulicht, wie sich die Viskosität des Materials als Reaktion auf Temperaturschwankungen ändert. Dies ermöglicht die Bestimmung der Temperaturempfindlichkeit des Materials; Wenn die Steigung der Fließ-Temperatur-Kurve steil ist (dh einen signifikanten Gradienten aufweist), deutet dies darauf hin, dass das Material sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert. Wenn umgekehrt die Kurve, die die Viskositätsänderungen mit der Temperatur darstellt, relativ flach ist, deutet dies darauf hin, dass das Material unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist. Natürlich lässt sich anhand der Kurve leicht erkennen, bei welcher spezifischen Temperatur die Schmelze optimale Fließeigenschaften aufweist und somit für die Verarbeitung und Produktion geeignet ist; Dies dient als wissenschaftliche Grundlage für die Etablierung von Produktionsprozessen.
Bei Materialien, deren Fließkurven sehr temperaturempfindlich sind – wie etwa Nylon – ist die Aufrechterhaltung einer präzisen Temperaturkontrolle von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Produktqualität. Im Gegensatz dazu hat bei Materialien, die relativ temperaturunempfindlich sind, eine einfache Anpassung der Temperatur kaum Auswirkungen auf die Produktqualität.
1.2Bereitstellung von Schergeschwindigkeitsdaten: Durch Messung der Fließkurve bei verschiedenen Schergeschwindigkeiten und gleichzeitiger Beibehaltung einer konstanten Temperatur kann man eine Kurve erhalten, die veranschaulicht, wie sich die Viskosität des Materials als Reaktion auf die Schergeschwindigkeit ändert. Materialien, deren Viskosität unabhängig von der Schergeschwindigkeit im Wesentlichen konstant bleibt, werden als Newtonsche Flüssigkeiten klassifiziert; Materialien, deren Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit abnimmt (ein Phänomen, das als „Strukturviskosität“ bekannt ist), werden als pseudoplastische Flüssigkeiten klassifiziert – und die meisten Polymerschmelzen fallen in diese Kategorie der Strukturviskosität.
Es gibt auch eine dritte Kategorie: Materialien, die eine „Scherverdickung“ aufweisen (die Viskosität steigt mit der Schergeschwindigkeit). Durch die Analyse des Diagramms kann man den spezifischen Schergeschwindigkeitsbereich identifizieren, der optimale Fließeigenschaften liefert und sich daher am besten für Produktion und Verarbeitung eignet. In tatsächlichen Produktionsumgebungen wird die Schergeschwindigkeit typischerweise durch Ändern der Drehzahl des Motors angepasst.
Daher ist es wichtig, genau auf die Fließeigenschaften zu achten, die innerhalb des spezifischen Schergeschwindigkeitsbereichs entsprechend der gewählten Produktionsmethode auftreten.
2. Bereitstellung einer wissenschaftlichen Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien
2.1Bei der Entwicklung neuer Materialien oder dem Versuch, die Leistung bestehender Materialien zu verbessern, verwenden Forscher typischerweise neue Formulierungen und Zusammensetzungsverhältnisse oder integrieren spezifische Füllstoffe, Additive und ähnliche Wirkstoffe in die Materialmatrix. Für jedes Material – unabhängig von seinen spezifischen Bestandteilen (Formulierung) oder den genauen Anteilen dieser Komponenten (Zusammensetzungsverhältnis) – wird ein Kapillarrheometer verwendet, um seine Fließkurve zu messen. Diese Messung dient als objektive Grundlage für die Bewertung der Leistung des Materials, die Bestimmung seiner Gesamtqualität und die Überprüfung, ob es die erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Wenn die Leistung des Materials hinter den Anforderungen zurückbleibt, können Forscher versuchen, es durch den Einbau spezifischer Additive zu verbessern. Durch die Verwendung des Kapillarrheometers zur Messung der Fließkurven sowohl *vor* als auch *nach* der Zugabe eines Additivs – und den anschließenden Vergleich der resultierenden Kurven – kann man den spezifischen Einfluss jedes Additivs auf die Fließeigenschaften des Materials genau bestimmen.
2.2Bei Materialien der gleichen Art können ihre Fließkurven (Viskosität vs. Schergeschwindigkeit) variieren; Einige zeigen schnelle Änderungen als Reaktion auf die Schergeschwindigkeit, während andere sich eher allmählich ändern. Warum ist das so? Ein wesentlicher Faktor dürften die erheblichen Unterschiede in der Molekulargewichtsverteilung der Materialien sein.
Gerätefunktionen und -merkmale
1. Das Kapillarrheometer: Dieses Instrument ist ein intelligentes, computergesteuertes Kapillarrheometer mit konstantem Druck. Es kann sowohl im Konstantdruck- als auch im Konstantgeschwindigkeitsmodus betrieben werden und nutzt computergestützte Messsysteme zur Bestimmung der Extrusionsraten – über verschiedene Kapillardüsenspezifikationen und unter unterschiedlichen angewandten Drücken – bei unterschiedlichen Temperaturen und Heizraten. Über eine Computerschnittstelle werden Extrusionsgeschwindigkeit, Druck und Heiztemperatur erfasst. Diese Daten werden automatisch verarbeitet, um Viskositätswerte zu berechnen. Darüber hinaus generiert das System grafische Kurven und druckt einen umfassenden Prüfbericht.
2. Das Kapillarrheometer dient zur Bestimmung der Fließeigenschaften und Aushärtegeschwindigkeiten von Polymermaterialien. Es misst die Viskosität und die Aktivierungsenergie des viskosen Flusses von Polymerschmelzen und kann auch zur Untersuchung von Prozessparametern für Schmelzspinnanwendungen eingesetzt werden.
3. Das Kapillarrheometer ist in der Lage, verschiedene Leistungsparameter von Polymeren zu bestimmen, darunter Erweichungspunkte, Schmelzpunkte, Fließpunkte, Viskosität und Aktivierungsenergie des viskosen Flusses sowie die Aushärtetemperaturen von duroplastischen Materialien.
4. Das Temperaturkontrollsystem und die Kontrollmethodik zeichnen sich durch eine überlegene Leistung aus und erleichtern die Messung von Änderungen in Polymermaterialien – und den damit verbundenen Eigenschaften – über einen Temperaturbereich hinweg. Das Instrument ist computergesteuert; Es zeichnet Testkurven in Echtzeit auf, zeigt dynamische Änderungen während des Tests visuell an und generiert Daten auf der Grundlage von Gleichungen wie Hagen-Poiseuille, Rabinowitsch und Schmelzflussrate (MFR).
5. Das Kapillarrheometer verwendet einen Lastaufbringungsmechanismus mit rationalem Design. Computergesteuert führt es eine kontinuierliche Lastaufbringung mit hoher Präzision und hervorragender Stabilität aus. Das Gerät kann Spannungs-Dehnungs-Kurven und Plastifizierungskurven für Polymermaterialien zeichnen und die Temperaturen bestimmen, die dem Erweichungspunkt, dem Schmelzpunkt und dem Fließpunkt entsprechen. Abschließend werden grafische Kurven erstellt und ein vollständiger Prüfbericht ausgedruckt.
Testfunktionen und -methoden
1. Test mit konstanter Schergeschwindigkeit: Ermöglicht die Bestimmung von Scherspannungs-Schergeschwindigkeits-Kurven sowie von Scherviskositäts-Schergeschwindigkeits-Kurven.
2. Konstantdruck-Schertest: Kann Scherviskosität vs. Schergeschwindigkeitskurven bestimmen.
3. Stufenweiser Schergeschwindigkeitstest: Ermöglicht die Einstellung verschiedener Schergeschwindigkeiten; ist in der Lage, Scherspannungs-Schergeschwindigkeits-Kurven und Scherviskositäts-Schergeschwindigkeits-Kurven zu bestimmen. Darüber hinaus ermöglicht es während des Experiments die Beurteilung der Bruchbedingungen der Schmelze sowie die Bestimmung des minimalen Fließdrucks und der Schergeschwindigkeit der Schmelze, basierend auf beobachteten Änderungen in den Kurven.
3.1Durchfluss/Kein Durchfluss Test: Ermittelt den Zusammenhang zwischen Viskosität und Temperatur und ermöglicht so die genaue Bestimmung der minimalen Vorlauftemperatur.
3.2Schmelzbruch und Fließinstabilität: Untersucht Phänomene der Fließinstabilität, einschließlich Schmelzbruch und Schmelzbruch.
4. Temperaturrampentest: Bestimmt die Variation der Schmelzviskosität bei steigender Temperatur.
5. Konstantdruck-Temperaturrampentest: Misst den Erweichungspunkt des Materials.
Anwendbare Teststandards
GB/T 25278-2010: *Kunststoffe – Bestimmung der Fließfähigkeit von Kunststoffen mit Kapillar- und Schlitzdüsenrheometern*
HG/T 4300-2012: *Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von Gummi – Methode des Kapillarrheometers vom Kolbentyp*
ISO 11443-2021: *Kunststoffe – Bestimmung der Fließfähigkeit von Kunststoffen mit Kapillar- und Schlitzdüsenrheometern*
ISO 17744-2004: *Kunststoffe – Bestimmung der Fließfähigkeit von Kunststoffen mit Kapillar- und Schlitzdüsenrheometern*
ASTM D3835-16: *Standardtestmethode zur Bestimmung der Eigenschaften von Polymermaterialien mittels Kapillarrheometer*
ASTM D5099-08: *Standardtestmethode für Gummimischungs- und Verarbeitungseigenschaften unter Verwendung eines Kapillarrheometers*
Ihre Nachricht muss zwischen 20 und 3.000 Zeichen enthalten!
German
