Mit kell tudni a polimerek/m!anyagok reológiájáról? I. Elmélet és méréstechnika

Átírás

1 Reológiai konferencia Mit kell tudni a polimerek/m!anyagok reológiájáról? I. Elmélet és méréstechnika Dr. Macskási Levente, a M!anyag és Gumi f"szerkeszt"je Az ATESTOR Kft. a korszer. m.anyagipari vizsgálóm.szerek kereskedelme és szervizelése mellett fontosnak tartja azt is, hogy vev(inek és az iparágban dolgozó szakembereknek naprakész alapismereteket és információkat nyújtson. Ennek szellemében október 27-én a KECSKEMÉTI F/ISKOLA GAMF KARA FÉM- ÉS M0ANYAG-FELDOLGOZÓ TECHNO- LÓGIAI INTÉZETÉNEK M0ANYAG- ÉS GUMIFELDOLGOZÓ SZAKCSOPORTJÁ-val közösen reológiai el(adássorozatot és gyakorlati bemutatót szervezett, melyen mintegy 50 szakember vett részt. Kétrészes sorozatunk els( cikkében az elhangzott el(adások [1 4] alapján tekintjük át a polimerek reológiájának id(szer. elméleti kérdéseit. 1. Elmélet A reológia a fizika mechanika fejezetének áramlásokkal foglalkozó témaköre, a m!anyagok szerkezetvizsgálatában és a polimer ömledékek feldolgozásában játszik szerepet. A feszültségek és deformációk, deformációsebességek összefüggéseivel foglalkozik a h"mérséklet, a nyomás és az id" függvényében. Elméleti, kísérleti és alkalmazott szakterületekre bontható. A reológia joggal tekinthet" a folyás tudományának, hiszen a régi görögök is megállapították, hogy!"#$" %&' (minden folyik). A reológia a múlt század hatodik és hetedik évtizedében állt a m!anyag kutatások középpontjában. Manapság az akkor elért kutatási eredményeket hasznosítják a m!- szergyártó cégek, valamint a szerszámtervezést és feldolgozást segít" számítógépes programok A reológia alkalmazása a molekuláris jellemz!k meghatározására A legfontosabb reológiai jellemz(k a nyíróviszkozitás, az els(- és második normálviszkozitás, a dinamikus jellemz(k, a relaxációs id(, a relaxációs spektrum, a nyírási lágyság és a nyírómodulusz. Két független módszer létezik a molekulatömeg-eloszlás és a reológiai jellemz(k egymásból történ( konvertálására [1]. A reológiai változók a feszültség (tenzormennyiség), mely lehet nyíró, nyújtó és oszcilláló, a deformáció (tenzor) és az id" (skalár), a Deborah szám az anyagot jellemz" relaxációs id" és a kísérlet idejének hányadosa. Egyszer! nyíródeformáció esetén a modulusz (G) a nyírófeszültség ($) és a nyírás ()) hányadosa, míg nyíró - áramlás esetén a nyírófeszültség ($), a nyírósebesség () ) és e kett" hányadosa, a nyíróviszkozitás (*) az alapmennyiségek. A reológiai függvények a folyásgörbéb"l vezethet"k le, ezek a nyíróviszkozitás-függvény (*() )), az els"- és a második normálfeszültség-függvény (! 12 () ),! 23 () )). A nyíróviszkozitás függ a molekulatömegt"l, a molekulatömeg-eloszlástól, a h"mérséklett"l és a nyomástól. Nyújtási áramlás esetén a nyújtóviszkozitás (* T ) a második normálfeszültség különbség (! 23 () )) és nyújtási sebesség () e) hányadosaként adódik. Oszcilláló áramlást a vizsgálati mintára szinuszos deformáció (A = A 0 sin+t) ráadásával valósíthatunk meg, a válaszfüggvény (B = B 0 sin(+t+,)) a minta viselkedését"l függ"en, id"késéssel realizálódik. A dinamikus moduluszok (G# és G$) a körfrekvencia függvényében monoton n"nek és adott körfrekvenciánál metszik egymást, ez a G c érték. A komplex viszkozitás (* * ) a körfrekvencia-függvényében csökken. A plato modulusz empirikus kapcsolatban áll a G N 0 = G$ max értékkel, a log G N 0 2,63? log1pi2 5 0,38 1 G c 1 1 2,45? log1pi2 összefüggés szerint, ahol (PI) a polidiszperzitás. M!anyag szerkezeti elemek alkalmazásánál a fémekkel szemben dönt" fontosságú lehet a feszültségrelaxáció. Ha a terhelést egységugrás függvénnyel adjuk rá a mintára, akkor a feszültség válaszfüggvény (modulusz) rugalmas fluidum esetén id"ben állandó, viszkoelasztikus fluidum esetén csökken, azaz a modulusz id"függ", míg viszkózus polimerömledékek esetén csaknem zérusra csökken a G(t) = -(t)/) összefüggésnek megfelel"en. A szerkezeti elemben felépül" deformáció a kúszással jellemezhet", egységugrás bemen"- és kimen" feszültségre a rugalmas válasz pillanatszer! állandó deformáció, mely pillanatszer!en megsz!nik, míg viszkózus esetben az id"függ" deformáció a J(t) = )(t)/- összefüggésnek megfelel"en n", majd állandó marad. A polimer molekulatömeg-eloszlása meghatározható a nyíróviszkozitás függvényb"l, vagy az oszcilláció kísér- ATESTOR Anyagvizsgálat-Méréstechnika Kft., 1016 Budapest, Aladár utca 19. Telefon: , info@atestor.hu, évfolyam 1. szám

2 letekb"l a G# és G$ alapján a G(t) relaxációs görbén keresztül. Elméleti szempontból fontos a csomópontok közötti molekulatömeg, valamint a tömörítési hossz (adott térfogatban lév" egyedi láncok száma) meghatározása. A polimer molekulában lév" rövid elágazásokból két, a gyakorlat számára fontos jellemz", a T g (üvegesedési h"mérséklet) és a T m (kristályos fázis olvadáspontja) számítható. Ezzel szemben a hosszú elágazások kisebb maximális ömledékviszkozitást (* 0 ) és nagyobb kritikus nyírófeszültséget ($ krit ), nagyobb folyási aktiválási energiát (%E) és nagyobb ömledékrugalmasságot (J e 0 ) valószín!sítenek Folyási jellemz!k meghatározása fröccsszerszámban réskapillárisokkal A m.anyagok feldolgozása legtöbbször ömledék állapotban történik. A technológiai paraméterek beállítása megköveteli a feldolgozandó anyag folyási tulajdonságainak pontos ismeretét. Kis nyírósebességeknél a reológiai jellemz(ket f(leg rotációs- és kapillárviszkoziméretekkel határozzák meg. A fröccsöntés körülményei között, nagy sebességeknél azonban összetett hatás éri a polimert, amit csak a szerszámban történ( nyomás- és h(- mérséklet mérésével lehet tanulmányozni. Egy, a GAMF M0ANYAG- ÉS GUMIFELDOLGOZÓ SZAKCSOPORTJA által kifejlesztett mér(rendszerrel a fröccsöntés során meghatározhatók a polimer ömledékek folyási görbéi [2]. A szabványos MFI (MFR) méréssel meghatározott számértékb"l csak arra lehet következtetni, hogy a szóban forgó m!anyag milyen feldolgozási célra alkalmas, de azt, hogy az miként viselkedik az extrudálás, vagy különösen a fröccsöntés körülményei között, már nem. Ezért van szükség a feldolgozási feltételek mellett mért folyásgörbékre. Mintegy 30 éve foglalkoznak a fröccsönt" szerszámban történ" nyomásméréssel, ennek ellenére még ma sem kapható a piacon olyan univerzális mér"rendszer, amellyel a polimer ömledékek nyíró- és nyújtóáramlásban fellép" viselkedése tanulmányozható lenne. A kutatómunka során ENGEL és ARBURG fröccsönt" gépek szerszámaiba az álló oldalra nyomásjeladókat, míg a mozgó oldalra kapilláris betéteket építettek be. Az NI A/D átalakítót tartalmazó rendszer Hz frekvenciával vette a jeleket, melyeket Labwiev programmal értékeltek ki (1. ábra). A primer mérési adatokon Bagley-féle nyírófeszültség-, Rabinowitsch-féle nyírósebesség- és Mooney-féle csúszáskorrekciót hajtottak végre (2. ábra). Vizsgálták a nyomásesésb"l számított h"mérsékletnövekedés (%T = %p/% c ) viszkozitáscsökken" hatását, valamint a nyomás növekedéséb"l számított viszkozitás növekedést (" = &ln' 0 /&p) és megállapították, hogy a két 1. ábra. Fröccsönt( szerszámban történ( nyomásmérés geometriája és mérési adatai évfolyam 1. szám 25

3 2. ábra. Bagley korrekció, látszólagos és korrigált viszkozitás Jellemz!k %p valós MPa %T disszipációs C * alap Pa s * disszipációs Pa s * nyomás Pa s %p korrigált MPa 1. táblázat. A viszkozitás függése a h!mérséklett!l és a nyomástól T anyag, C T szerszám, C Q min 10,67 12,54 11,42 8,53 Q max 15,95 28,24 14,90 20,65 Q min 5,40 6,33 5,70 4,31 Q max 8,00 14,27 7,50 10,40 Q min 267,00 313,5 285,60 213,3 Q max 20,00 35,30 18,59 25,80 Q min 232,00 265,80 245,80 190,70 Q max 16,10 24,35 15,3 19,67 Q min 277,60 328,20 297,80 220,00 Q max 21,20 39,14 19,70 27,80 Q min 11,40 13,47 12,23 9,03 Qmax 17,20 28,10 16,00 22,04 3. ábra. Nyújtóviszkozitás a nyújtási sebesség függvényében s 5 t (1) tanw e 5 g? (2) 3? tanw hatás csaknem kiegyenlíti egymást, mindössze 5%-os viszkozitásváltozást eredményez (1. táblázat). A mér"rendszer alkalmas a nyújtófolyás meghatározására is, amennyiben fojtást alakítanak ki a kapillárisban, meghatározzák a belépési szöget (ami 43,43 -nak adódott), majd a nyíróviszkozitást a fojtás el"tt, valamint a nyíró és nyújtó hatásokat a résben (3. ábra). A nyújtófeszültség ((), a nyújtódeformáció ()) és a nyújtási viszkozitás (' nyújtási ) az alábbi összefüggésekkel számíthatók ki: h nyújtási 5 s e (3) 2. Méréstechnikai újdonságok 2.1. A kapillárreométerek fejlesztése nem ismer határokat A kapillárreométeres vizsgálatok els(dleges célja az ömledékviszkozitásnak a deformációsebesség függvényében történ( mérése. Hogy minél szélesebb lehessen a felhasználási terület, azaz a méréstartomány (és széles méréstartományban is pontos legyen a mérés), új fejlesztés évfolyam 1. szám

4 nyomástávadókat alkalmaznak. Ezzel párhuzamosan továbbfejlesztik a kiértékel( szoftvereket, valamint az egyéb mérési módszereket pl. a pvt diagram meghatározásához. A nyomástávadókkal kapcsolatos újítás: nagyfrekvenciájú mintavételezéssel mérhet( a cápab(rösödés, az ömledéktörés során észlelhet( kicsi, de gyors nyomásingadozások révén [3]. A GÖTTFERT cégnek több mint 30 éves tapasztalata van a kapillárreométerek gyártásában. Az utóbbi években komoly fejlesztéseket végeztek, melyek eredményeképpen a teljes mérési tartományban *a nyomásmérés felbontása kisebb, mint 0,005%, ami 2000 bar nyomásnál 0,1 bar-t jelent, *a reprodukálhatóság kisebb mint 0,05%, vagyis 10- szeresére n"tt, *a kisebb nyírósebesség tartomány felé egy nagyságrenddel b"vült a méréstartomány. Ennek következtében 5% különbség az MFR értékben 20% eltérést okoz a számított maximális viszkozitásban, így az * 0 molekulatömeg összefüggés korrelációja 99,66%-os. A kapillárviszkoziméterhez kapcsolható pvt mér"egységet is továbbfejlesztették izoterm és izobár mérési módban (4. ábra). 120 kn terhel" er"vel 2500 bar nyomást hoznak létre. Jelenleg a maximális h!tési sebesség 25 K/min, a maximális h"- mérséklet pedig 450 C. A cápab"r vagy magyarul ömledéktörés (rugalmas turbulenciának is nevezik, mert a Re-szám a nagy ömledékviszkozitás miatt nagyságrendekkel a klasszikus lamináris turbulens átmenet alatt helyezkedik el) jelensége régóta ismert az extrudálás gyakorlatából. Magyarázata az, hogy az extruder szerszámban nagy sebességgel áramló ömledék hol tapad a falon, hol elválik attól, ami a kilépés után az 5. ábrán látható profilokat eredményezi. A stick-slip viselkedés a nyomásesés-térfogatáram összefüggésen a függvény szakadását eredményezi. A hagyományos mér"berendezés csak egy nyomásjeladót, míg az új változat hármat tartalmaz. (6. ábra). A hagyományos nyomásérzékel" 7,0 mm átmér"j!, a gyors jeladó 2,5 mm átmér"j!, az id"mérés felbontása 0,2 és 0,00001 s, a nyomásmérés felbontása 0,1 és 0,01 bar, utóbbi Fourier analízist is lehet"vé tesz. Ennek 5. ábra. Jellemz( folyási instabilitások 4. ábra. pvt diagram izoterm és izobár mérési módban, 15 K/min h.tési sebesség izobár üzemmódban 6. ábra. Az új és régi mér(berendezés összehasonlítása,résfúvóka méretek: L = 30 mm, W = 3 mm, H = 0,3 mm, távadók helyei 6 mm, 15 mm, 24 mm. 7. ábra. A folyási instabilitások detektálása évfolyam 1. szám 27

5 8. ábra. Két nyomástávadóval mért nyomásoszcillációk elemzése következtében a nagyfrekvenciás oszcillációk nem észlehet"k, illetve minden oszcilláció látható (7. ábra). A 6 és 24 mm távolságban lév" távadókkal felvett és Fourier analízisnek alávetett nyomásoszcillációkat a 8. ábrán mutatjuk be Milyen m"szaki paraméterek jellemeznek egy korszer" laborextrudert Az ún. on-line laboratóriumi reológiai mérésekhez használt extruderek esetén a berendezések kialakítása eltér a termelésben használt gépekt(l. A mérésekhez, valamint a kísérleti anyagok kompaundálásához elengedhetetlenül szükséges, hogy az egyes beállítási lehet(ségek tág határok között változtathatók legyenek, vagyis a berendezést rugalmasan lehessen használni, fejleszthet( és könnyen tisztítható legyen. Az el(adás nemcsak felsorolja a laboratóriumi- és mér(extrudereknél fontos m.szaki paramétereket, hanem a technikai megoldások különbségeit is sorra veszi, azok el(nyeivel, hátrányaival [4]. A laboratóriumi extrudereket anyagkeverékek el"állításához (kompaundálás), a feldolgozás technológiai beállításához, félüzemi és kísérleti gyártósorokban, valamint reológiai mérésekhez (on-line reométerek) használják. Pontos szabályozással rendelkeznek, sokféle anyag kis tételeinek feldolgozására alkalmasak, mert a feldolgozási paraméterek széles tartományban változtathatók és könnyen tisztíthatók. A csigaátmér" mm (átlag mm), az L/D = 15 60, a kihozatali teljesítmény min. 0,5 1,0 kg/h, max kg/h; asztali és telepített kivitelben kaphatók. Meghajtásuk történhet aszinkron motorokkal és szinkron szervomotorokkal. Az aszinkron motoroknál (az ipari villamos motorok többsége ilyen) a maximális nyomaték csak a legnagyobb fordulatszámnál érhet" el, pl. 5 kw-os motorral 100 Nm kb. 480/min fordulatszámnál. A nyomatékkal kapcsolatban tudni kell, hogy ha kicsi a nyomaték, akkor a viszkózus anyag megállíthatja a motort, beéghet az anyag, s"t leéghet a motor. Az aszinkron motor el"nye, hogy olcsó és általánosan elterjedt, viszont hátránya, hogy a nyomaték fordulatszámfügg", kis fordulatszámon pontatlan a szabályozás. A másik megoldás a szinkron szervomotorok alkalmazása, ezek nyomatéka nem függ a fordulatszámtól, egyes esetekben nincs benne kefe sem. El"nyei, hogy nagy nyomatékot ad le kis fordulatszámon, pontosan szabályozható, de hátránya, hogy drága kw-os motorral Nm nyomaték érhet" el 0 150/min fordulatszám tartományban. A meghajtás vezérlése (azaz a motorfordulatszám szabályozás módjai) történhet frekvenciaváltóval (VFD variable frequency drive), ahol a villanymotor fordulatszámát a bemen" áram frekvenciájával változtatjuk, ez olcsó és elterjedt, valamint mez"orientált (vector control) módon, vagyis az állórész áramából képzett vektormennyiség és a forgórész helyzete alapján vezérlünk, évfolyam 1. szám

6 ami gyorsan reagál, nagyon pontos, de csak akkor szabályoz jól, ha az enkóderek pontosak, a vezérl" pedig gyors. A motorfordulatszámot szabályozhatjuk fordulatszám-visszacsatolás mentes, nyílt hurkú szabályozással, fordulatszám-visszacsatolással m!köd", zárt hurkú szabályozással, mellyel megel"zhet" a motor leégése. Optimális a zárt hurkú, mez"orientált vezérlés! szinkron szervomotor, ezzel a kihozatali teljesítmény ingadozása ±0,5%-ról ±0,01%-ra csökkenthet". Az er"átvitel történhet csigahajtóm!vel, melynek rossz a hatásfoka, legjobb esetben is 20 25% a veszteség, valamint homlokfogaskerékkel, melynek jóval kisebb a vesztesége. A csigakialakítás moduláris, a henger több (pl. kétcsigás extruder esetén 10 darab 4D hosszúságú) szegmensb"l áll, ezek az elemek tetszés szerint cserélhet"k, így változtatható az oldaladagolás vagy a légtelenítés (vákuumozás) helye. A lehúzható henger a szétnyithatóhoz képest azért el"nyös, mert könnyen tisztítható, egyszer!bb a csiga cseréje és jobb a tömítettség. A henger és a csiga anyaga rozsdamentes acél (esetleg saválló), mely könnyen tisztítható, a gyógyszeriparban és tisztatérben is használható. A laboratóriumi extruderek csigafordulatszám- és h"- mérséklet vezérlése/szabályozása korábban külön-külön beépített idegen vezérl"kkel történt. Manapság a csigafordulatszám, a zónah"mérsékletek, az ömledéknyomás és ömledékh"mérséklet, valamint az áramfelvétel szabályozására a többcsatornás vezérlést alkalmazzák. Minden extrudert túlterhelés ellen automatikus lekapcsolással látnak el. Egy jól karbantartott mér"extruder évig is megbízhatóan m!ködik. Források [1] Halász, L.: A reológia alkalmazása a molekuláris jellemz"k meghatározására [2] Belina, K.; Sz!cs, A.: A reológia mint alkalmazott tudomány [3] Sunder, J.: Merre halad a polimerek reológiai vizsgálatára alkalmas ipari- és kutatási készülékek fejlesztése [4] Hajsz, T.: Milyen m!szaki paraméterek jellemeznek egy korszer! laborextruder? évfolyam 1. szám 29