Reologian merkitys polymeerien sulatyöstössä

Transkriptio

1 Reologian merkitys polymeerien sulatyöstössä POLYKO - Polymeeripohjaisten materiaalien käyttöaluekohtaisesti räätälöityjen koulutusmateriaalien tuottaminen Johanna Aho TTY Muovi- ja elastomeeritekniikka

2 Sisältö Johdanto Mitä on reologia? Reologiset virtaustyypit Leikkausvirtaus Venymävirtaus Viskoelastisuus Polymeerien virtauskäyttäytyminen ttä t i Reologian rooli eri prosessointimenetelmissä Ekstruusio Ruiskuvalu Puhallusmuovaus Kalvonpuhallus ja -ekstruusio Reologiset mittaukset prosessoinnin tarpeisiin Sulaindeksin määritys Leikkausviskositeetti Venymäviskositeetti

3 Mitä on reologia? Oppi aineiden virtauksesta ja muodonmuutoksesta (kreik. rheos = virtaus) Yleensä reologialla tarkoitetaan ei- Newtonisten aineiden tutkimusta Aineet jota virtaavat ei-newtonisesti, eli normaalista poikkeavalla tavalla Newtonisten aineiden virtausta tutkii virtausdynamiikka Poikkitieteellinen ala jolla on tärkeä merkitys mm. polymeerien prosessoinnissa, maali- ja liimateollisuudessa, kosmetiikkateollisuudessa ja elintarviketeollisuudessa Tärkein reologinen suure on viskositeetti η, joka kuvaa nesteen kykyä vastustaa virtausta; korkea viskositeetti jäykkä neste Yksikkö Pascalsekunti, Pa s (Ns/m 2 ) Neste Viskositeetti [Pas] lasisula polymeerisulat siirappi 10 2 hunaja 10 1 glyseroli 10 0 vesi 10-3 ilma 10-5

4 Leikkausmuodonmuutos ja leikkausviskositeetti Yksinkertainen leikkaus on tavallisimmin esiintyvä (ja mitattava) kuormitusmuoto virtauksessa Leikkausta voidaan mallintaa pinolla levyjä jotka liukuvat toistensa ohi kuormituksen alaisena Samalla virtauslinjalla ll olevien partikkelien välinen etäisyys ei muutu. Virtaus levyjen välissä ja putkissa; poikkipinta-ala ala pieni suhteessa virtausmatkaan ja vapaita virtauspintoja ei ole F h η s = v(h) A τ & γ γ& = v h v F τ = F A v = virtausnopeus F= kuormitusvoima h = virtauskanavan korkeus A= virtauspoikkipinta-ala γ& γ = leikkausnopeus τ = leikkausjännitys η s = leikkausviskositeetti

5 Virtaus- ja viskositeettikäyrät Virtauskäyrällä tarkoitetaan jännitysleikkausnopeus käyrää Viskositeettikäyrällä esitetään (leikkaus)viskositeetti leikkausnopeuden funktiona tavallisesti logaritmisella asteikolla Lineaarisella asteikolla polymeereille tyypillinen nollaviskositeettialue ei tule esiin selkeästi τ [Pa] γ [s -1 ] η [Pa s] log η [ Pa s] γ [s -1 ] log γ [s -1 ]

6 Ei-Newtoniset ja Newtoniset nesteet leikkauskuormituksessa Newtonisilla nesteillä leikkausjännityksen suhde leikkausnopeuteen on lineaarinen ja riippumaton kuormituksen määrästä tai kestosta Ei-Newtonisilla nesteillä leikkausjännityksen ja leikkausnopeuden suhde riippuu ajasta, kuormitusnopeudesta, ja/tai kuormituksen kestosta ja määrästä τ Virtaus- ja viskositeettikäyriä Newtoninen neste Ei-Newtoninen i leikkausoheneva Leikkausnopeuden kasvaessa aine ohenee eli viskositeetti laskee Ei-Newtoninen leikkauspaksuuntuva Leikkausnopeuden kasvaessa viskositeetti kasvaa Ei-Newtoninen Binghamin plastinen materiaali Aine virtaa viskoosisti vasta kun tietty rajajännitys (myötöraja) on ylitetty sen alapuolella käyttäytyy elastisesti η γ& γ&

7 Venymämuodonmuutos ja venymäviskositeetti F Kun ainetta venytetään, samalla virtauslinjalla olevien partikkelien keskinäinen etäisyys muuttuu Yksinkertainen eli uniaksiaalinen venytys: kuormitus x-suunnassa, dimensiot y- ja z- suunnassa pienenevät Muut venytystyypit planaarinen (venytys x- suunnassa, y-dimensio pysyy vakiona, z- dimensio pienenee) ja biaksiaalinen (venytys x- ja y-suunnassa, z-dimensio pienenee) ε& H = d ln L dt L 0 A L t uniaksiaalinen planaarinen biaksiaalinen z y x η E= σ & ε F L t A ε& σ H η E = venytysvoima = näytteen pituus = aika = venytettävä poikkipinta-ala = Hencky venytysnopeus = vetojännitys = venymäviskositeetti

8 Venymäviskositeetti start-up virtauksessa ja yhteys leikkausviskositeettiin Venymäviskositeetti aina leikkausviskositeettia suurempi Start-up venymävirtaus (uniaksiaalinen kuormitus) tyypilliselle venytyspaksuuntuvalle polymeerille Newtonisille nesteille ηe= 3 ηs Venytys- viskoelastisille aineille tämä suhde jopa 100- paksuuntuminen 1000 Polymeereille start-up- venymäviskositeettikäyrien lineaarisella osalla (viskositeetti ei riipu kuormitusnopeudesta) venymä- ja leikkausviskositeetin suhde: Uniaksiaalinen venytys: η 3η + + E = s + η E lineaarinen kuormitusalue Steady-state + η ( t) E = vakio 3η + ( & γ 0) η s Planaarinen venytys: yy Biaksiaalinen venytys: η 4 η η + + P 1 = s 2η + + P2 = s η 6η + + B = s lim & ε 0 H + + [ η ( t, & ε )] = 3η ( t, & γ 0) E t H s

9 Viskoelastisuus Käyttäytyminen elastisten, kiinteiden aineiden ja viskoosien nesteiden välimaastossa VISKOELASTISUUS Reagointi kuormitukseen: Elastiset aineet: välitön muodonmuutos joka palautuu kun kuormitus poistetaan Viskoosit aineet: palautumaton, ajasta riippuva muodonmuutos; tapahtuu viiveellä kuormituksen alla Viskoelastiset aineet: ajasta riippuva muodonmuutos joka on osittain palautuvaa

10 Viskoelastisuus Kaikki viskoelastiset nesteet ovat ei-newtonisia mutta kaikki ei-newtoniset aineet eivät ole viskoelastisia Viskoelastisuuteen liittyviä ilmiöitä: Suutinpaisuma: Polymeerimolekyylit muistavat aikaisemman olotilansa ja pyrkivät palaamaan aa aa siihen kapeamman a poikkileikkauksen läpi virratessaan Jos poikkipinta ei ole pyörähdyssymmetrinen, myös dimensiot vääristyvät riippuu ajasta, virtausnopeudesta ja lämpötilasta, sekä polymeerin moolimassasta (korkea M w, suurempi suutinpaisuma) Epästabiili virtaus, liian suuri leikkausjännitys: Sulamurtuman eri muodot (shark skin, oskilloiva virtaus, aaltoilu): Vaste pitkäkestoiseen kuormitukseen: Viruminen: Pitkäkestoinen, vakiosuuruinen jännitys aiheuttaa jatkuvaa muodonmuutosta Jännitysrelaksaatio: Polymeeriketjut virtaavat pikku hiljaa materiaaliin kohdistuvan vakiomuodonmuutoksen takia energeettisesti suotuisampaan tilaan

11 Polymeerisulien reologinen käyttäytyminen Polymeerit koostuvat pitkistä molekyyliketjuista jotka ovat sulatilassa toisiinsa kietoutuneina Tästä johtuen polymeerit ovat luonteeltaan viskoelastisia Polymeerit ovat leikkausohenevia; mahdollistaa sulatyöstön Joillain polymeereillä esiintyy venytyspaksuuntumista Joillain polymeereillä, etenkin elastomeereilla tai täyteaineistetuilla polymeereillä, esiintyy virtauksen myötöraja Useissa prosessimenetelmissä esiintyy sekä leikkaus- että venymävirtausta Polymeerien e viskoelastinen e luonne tekee ee niiden käyttäytymisestä monimutkaista ja aiheuttaa useita omituisia virtausilmiötä tehden sulatyöstöstä haastavaa

12 Tyypillinen leikkausviskositeettikäyrä polymeerisulalle Nollaviskositeettialue (1. Newtoninen taso) η= η η o Siirtymäalue parametri a määrittää jyrkkyyden ja λ alkupisteen Leikkausoheneva alue (potenssilakialue), parametri n määrittää kulmakertoimen log η [Pa s] l Koko viskositeettialueen mallintaminen esim. Carreau-Yasuda mallin avulla: [ ] a 1 ( & γ ) a η = η λ 0 + n 1 Potenssilaki: η = Kγ& n 1 Leikkausoheneva neste: n<1 Leikkauspaksuuntuva neste: n>1 Newtoninen neste: n=1 log γ [s -1 ]

13 Tyypilliset leikkausnopeusalueet sulatyöstömenetelmissä Rotaatiovalu Puhallusmuovaus ja lämpömuovaus Ahtopuristus 1000 Putki- ja profiiliekstruusio η [Pa s] 100 Kalvoekstruusio Ruiskuvalu 10 Sulakehruu Pinnoitus γ [s -1 ]

14 Polymeerien venymäviskositeetti Venymäviskositeetti merkittävässä roolissa useissa prosesseissa Polymeerisulan vedettävyys ja sulastabiilius; kyky venyä ohueksi kalvoksi/ filamentiksi Sulalujuus tärkeä kalvoekstruusiossa ja puhallusmuovauksessa Venytyspaksuuntuminen (extension thickening, myös: strain hardening) Tyypillistä pitkäketjuhaaroittuneille polymeereille Tärkeää materiaaleilla, joita käytetään kalvonpuhalluksessa Mahdollistaa venytyksen moninkertaisiin mittoihin alkuperäiseen nähden: kalvonpuhalluksessa vaadittava kuplastabiillius Venytysoheneminen (extension thinning, myös: strain softening) Tyypillistä lineaarisille polymeereille Tärkeää kalvoekstruusiossa: deformaatio uniaksiaalisen ja tasomaisen venytyksen välillä + η E η E Start-up virtaus t ε& H pienenee Steady-state venymäviskositeetti ε& H

15 Polymeerien virtauskäyttäytyminen Muovisulien virtaus korkeasta viskositeetista johtuen (muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta) aina laminaarista Varsinaista turbulenssia ei esiinny suuremmillakaan leikkausnopeuksilla Laminaarinen virtaus mahdollistaa esim. monikerrosruiskuvalun ja ekstruusion Leikkausohenevilla polymeereillä korkeampi leikkausnopeus putken seinämillä kuin Newtonisilla nesteillä Virtaus äkkinäisesti muuttuvan poikkipintaalan läpi aiheuttaa pyörteistä sekundäärivirtausta i t useilla polymeereillä (a) Newtoninen neste: parabolimainen virtausprofiili (b, c) Leikkausoheneva neste: tulppamainen virtausprofiili Kuva: Järvelä P, Syrjälä K, Vastela M, Ruiskuvalu, Plastdata Oy, Tampere 2000

16 Virtaus prosessoinnissa Virtauksessa syntyvät jännitykset prosessointitavasta riippuen leikkaus- tai venytysjännitystä yyj y tai usein niiden yhdistelmää Leikkaus voi olla Vetovirtausta (ruuvissa) Painevirtausta (putkissa, jakokanavissa, muotissa) Venytysdeformaatiota esiintyy Uniaksiaalisena (kuidutus, kuristusvirtaus ) Biaksiaalisena (kalvonpuhallus, puhallusmuovaus) Planaarisena (puhallusmuovaus, kalvoekstruusio) Polymeerien viskoelastisesta luonteesta huolimatta prosessoinnissa esiintyvää virtausta pystytään useimmiten mallintamaan riittävällä tarkkuudella käyttäen Newtonisia virtausyhtälöitä Vetovirtaus Painevirtaus

17 Leikkausnopeuden arviointi virtausgeometrioissa Leikkausnopeus vaihtelee voimakkaasti virtauspoikkipinnan geometriasta ja dimensioista riippuen 2R 4Q Q & γ 3 πr Laskenta esimerkiksi ekstruuderin suuttimessa ja ruuvikanavassa, tai ruiskuvalussa portissa, muottionkalossa tai jakokanavistossa voidaan tehdä suhteellisen yksinkertaisia laskukaavoja käyttäen W H γ& 6Q WH 2 Q = tilavuusvirta R i R o γ& 2 π ( R o 6Q + R )( R i o R i )

18 Reologia ekstruusiossa

19 Lähtökohdat Ekstruusio on jatkuvatoiminen prosessi jossa normaalisti ei esiinny vapaita virtauspintoja vaan rajaehdot on määritelty esim. suuttimen ja kalibraattorien geometrian mukaan Viskoelastinen virtaus on sivuroolissa joten Newtonisia virtausmalleja voidaan käyttää mallintamisessa riittävällä tarkkuudella Ekstruuderissa ruuvin ja sylinterin seinämän välinen vetovirtaus kuljettaa sulaa eteenpäin ja suuttimen vastapaine aiheuttaa sitä vastustavan painevirtauksen. Lisäksi on huomioitava takaisinvirtaus ruuvin harjan ja sylinterin seinämän välistä Ekstruusioanalyysiä varten tunnettava Materiaalin virtausominaisuudet (viskoelastisuus, leikkausohenevuus) Virtausnopeus, paine, lämpötila Jotta voidaan saavuttaa.. Ruuvigeometrian ja suuttimen dimensioiden optimointi, Työstöolosuhteiden optimointi raaka-aineen ja sen ominaisuuksien ja optimointi prosessin ja tuotteen kannalta ja sitä kautta arvioida Ekstruuderin maksimaalinen tuotto Ekstruuderin moottorilta vaadittava teho

20 Ruuvi ja suutin Syöttövyöhyke ottaa vastaan granulaatin syöttösuppilosta ja kuljettaa sitä eteenpäin Kompressiovyöhyke kompressoi ja plastisoi i granulaattia sulaksi Annosteluvyöhyke (homogenointivyöhyke) homogenoi sulan ja tuo sen lopullisesti kauttaaltaan oikeaan lämpötilaan Suutin generoi vastapaineen ja antaa muodon ekstrudoitavalle tuotteelle Suutin Annosteluvyöhyke Kompressiovyöhyke Syöttövyöhyke Reologisessa analyysissä tärkeimmät osat tarkastelussa ovat ruuvin annosteluvyöhyke ja suutin. Seuraavassa tarkastellaan tavallista yksiruuviekstruuderia

21 Ekstruusioruuvin geometria

22 Ekstruuderin tuotto yksiruuviekstruuderi Ekstruuderin suorituskykyä voidaan arvioida ominaiskäyrien avulla Ruuvin annosteluvyöhykkeen ominaiskäyrä kertoo vetovirtauksen riippuvuuden suuttimen vastapaineesta Q d on vetovirtaus, kun vastustava paine P=0, eli käytännössä kun ekstruuderissa ei ole kiinni suutinta joka aiheuttaisi vetovirtausta vastustavaa painevirtausta Suuttimen ominaiskäyrä määrittelee suuttimesta aiheutuvan vastapaineen P max on maksimipaine jonka ekstruuderi kykenee generoimaan Q d Ruuvin ominaiskäyrä Ominaiskäyrät lineaarisia, kun virtaustapahtumaa on yksinkertaistettu: Geometriset tekijät, esim. kanavan Suuttimen ominaiskäyrä kaarevuutta ei huomioitu QQ Ekstruuderin toiminnallinen Kitkalämpöä ei huomioitu (isoterminen piste: it tötöl työstöolosuhteet t virtaus) kys. ruuvi/suutin Vuotovirtausta ruuvin harjan ja sylinterin -yhdistelmällä seinämän välistä ei huomioitu Viskositeetti oletettu riippumattomaksi lämpötilasta ja leikkausnopeudesta P P max

23 Ominaiskäyrät yksinkertaistettu tapaus Suutin 1 Q d1 Ruuvi 1 Q Q Ruuvi 2 d2 P Suutin 2 Ekstruuderin tuotto riippuu ruuvi/suutin yhdistelmästä: [Ruuvi 1 + Suutin 1]: paras tuotto, [Ruuvi 1 + Suutin 2]: huonompi tuotto tt kuin [Ruuvi 2 + Suutin 2] Mitä korkeampi ruuvin harja (h), sitä suurempi Q d ja sitä suurempi riippuvuus suuttimen vastapaineesta Suuttimen tarjoama virtausvastus riippuu sen geometriasta Kun otetaan huomioon leikkausohenevuus ja lämpötilariippuvuus, ominaiskäyrät muuttuvat kaareviksi ja niillä voi olla useampia leikkauspisteitä keskenään (= useampia mahdollisia prosessiparametriyhdistelmiä) Myös ruuvin kaikkien vyöhykkeiden huomioonottaminen monimutkaistaa käyriä huomattavasti

24 Ruuvikanavan geometrinen yksinkertaistaminen Ruuvikanava oletetaan leveäksi (W»h), ontoksi, rullaksi kääritystä kaistaleesta muodostuneeksi tilaksi φ V b = πnd V V bz bx = V = V b b cos φ = π ND cos φ sinφ = πnd sinφ N= ruuvin pyörimisnopeus h Todellisuudessa usein tarvitaan korjaus joka ottaa huomioon kanavan äärellisen leveyden ja sen, että ruuvikanavan reunoja kuvaavan kaistaleen päädyt ovat vinot

25 Yksinkertaistusten vaikutus leikkausoheneminen Oletus, että polymeeri käyttäytyy Newtonisesti, johtaa karkeaan yksinkertaistukseen: todellisuudessa kaikki ekstrudoitavat polymeerit ovat voimakkaasti leikkausohenevia Ekstruusiossa esiintyvillä leikkausnopeuksilla viskositeetti voi vaihdella useiden kymmenen potenssien suuruusluokkaa joten ekstruuderin kvantitatiivisen suorituskyvyn yy määrittämisessä leikkausohenemisen huomioiminen on ensiarvoisen tärkeää Mitä leikkausohenevampi neste, sitä pienempi ekstruuderin tuotto annetulla ruuvigeometrialla Myös puhdas kitkavirtaus i t (kun P=0) on pienempi i leikkausohenevalle ll nesteelle 1-dimensionaalinen vetovirtaus V bz riippumaton viskositeetin leikkausnopeusriippuvuudesta, mutta poikittaisvirtaus ei: leikkausvirtaus suunnassa V bx vaikuttaa viskositeettiin koko kanavassa ja vaikuttaa siten kitkavirtaan

26 Ruuvin ominaiskäyrä leikkausoheneva virtaus Ruuvin ominaiskäyrä riippuu materiaalin potenssilaki-indeksistä (n) ja ruuvin kierteen kulmasta (φ) Ominaiskäyrässä huomattava ero kun materiaali muuttuu Newtonisesta yhä jyrkemmin leikkausohenevaksi n= 1 0.2, kuvassa L s =D, eli φ=17.7φ Suutin; ei-newtoninen neste Suuttimen ominaiskäyrä on ei-newtonisten nesteiden tapauksessa kovera Q/ Q d Kun ruuvin ja suuttimen ominaiskäyrät yhdistetään, ekstruuderin toimintapiste ei- Newtonisilla nesteillä siirtyy alempaan paineeseen verrattuna yksinkertaistettuun Newtoniseen analyysiin n=0.2 n=0.4 n=0.6 n=0.8 n=1 P/ P max

27 Leikkausnopeus ruuvikanavassa Oletetaan ruuvikanavassa lineaarinen nopeusjakauma V bz h V= virtausnopeus N= ruuvin pyörimisnopeus D= sylinterin halkaisija L s = ruuvin kiereiden id välinen etäisyys h= ruuvikanavan korkeus & γ = V bz h = π ND cos φ h Usein L s = D φ = 17.7 γ& = π D o N cos( 17.7 ) = h D h N

28 Yksinkertaistusten vaikutus takaisinvirtaus Normaalisti välys ruuvin harjan ja sylinterin seinämän välissä noin kertainen sylinterin halkaisijaan nähden: Ekstruuderin kokonaistuottoon tällä on vähäinen vaikutus; nyrkkisääntönä, kun δ< 4x(0.001D), takaisinvirtausta ei tarvitse ottaa huomioon Energiankulutukseen sillä on sitä vastoin merkittävä vaikutus: takaisinvirtaus lisää ekstruuderilta vaadittavaa tehoa joten sen tarkasta määrityksestä on hyötyä oikeankokoisen voimanlähteen valitsemisessa Polymeerisulan leikkausohenevuudella on huomattava merkitys vuotovirtauksen määrään: potenssilaki-indeksi otetaan huomioon kun lasketaan välyksen aiheuttaman energiankulutuksen suhdetta kokonaisenergiankulutukseen

29 Yksinkertaistusten vaikutus ei-isoterminen isoterminen virtaus Isoterminen virtaus sylinteissä ei todellisuudessa päde: suurin osa ruuvin tehosta muuttuu kitkalämmöksi josta osa poistuu johtamalla sylinterin jäähdytyskierron avulla, mutta osa nostaa sulan lämpötilaa alentaen sen viskositeettia Ei-isoterminen virtaus aiheuttaa yhä enemmän ruuvin ominaiskäyrien epälineaarisuutta Kitkalämmön vaikutus voidaan määrittää laskennallisesti ottamalla huomioon ekstruuderin geometriset tekijät, ruuvin pyörimisnopeuden, sekä sulan reologisen käyttäytymisen y y ja lämmönjohtavuuden Käytännön laskutoimitukset monimutkaisia ja riippuvia asetetuista rajaehdoista, ja yleensä käytetäänkin yksinkertaistettuja ekstruusiomalleja

30 Ekstruuderi uritetulla syöttövyöhykkeellä Edellä esitettiin ominaiskäyrät perinteiselle yksiruuviekstruuderille jolla on sileä syöttövyöhyke Paine generoituu suurimmaksi osaksi ruuvin loppupäässä ja tuotto voimakkaasti riippuva suuttimen vastapaineesta Uritetulla syöttövyöhykkeellä varustetulle pakkosyöttöekstruuderille k ruuvin ominaiskäyrä tästä poikkeava Pääosa paineesta generoidaan jo syöttövyöhykkeellä Tuotto riippumaton suuttimen vastapaineesta ruuvin ominaiskäyrä vakio Syöttö Homogenointi Suutin Ruuvin ominaiskäyrä uritetun syöttövyöhykkeen kanssa Paine Uritettu syöttövyöhyke y y Sileä syöttövyöhyke Q Q d Matka sylinterissä P

31 Ekstruuderin sekoitustehokkuus Sekoitus on yksi ekstruuderin tärkeimmistä funktioista Sekoittuminen voi olla Distributiivista: päätarkoituksena k materiaalin koostumuksen k homogenointi Dispersiivistä: homogenoinnin lisäksi tavoitteena minimoida sekoitettavan komponentin partikkelikoko; usein partikkelien (esim. pigmentit, täyteaineet, ) sekoittaminen matriisiin Laminaarinen leikkaus pääasiallinen distributiivisen sekoittumisen mekanismi polymeerien prosessoinnissa Sekoitustehokkuus riippuu sekoitettavien partikkelien orientaatiosta Tavallinen yksiruuviekstruuderi tehoton sekoitin Sekoitusvyöhyke-elementtien käyttö ruuvissa Kaksiruuviekstruuderit Parempi sekoitustehokkuus kuin yksiruuviekstruuderilla Tuotto-paine suhde ei ole riippuvainen granulaatin ja sulan virtausmekanismista syöttöja kompressiovyöhykkeellä Virtauskuviot huomattavasti monimutkaisempia kuin yksiruuviekstruuderin tapauksessa

32 Sulamurtuma: epästabiili virtaus ekstruusiossa Ekstruusioprofiilissa esiintyviä, virtauksen epästabiiliudesta johtuvia virheitä kutsutaan yleisnimityksellä y sulamurtuma Ilmiö voi vaihdella ekstrudaatin mattapintaisuudesta selvään pinnankarheuteen (hainnahka), ja aina spiraalimaiseen epätasaisuuteen (varsinainen, täydellinen sulamurtuma) Alkaa tietyllä kriittisellä leikkausjännityksellä asettaa rajat tuotannon maksiminopeudelle Kuva: Polymer Engineering/ Polymer Physics, Berlin Institute of Technology

33 Sulamurtuma: epästabiili virtaus ekstruusiossa Sulamurtuman esiintyminen vaihtelee voimakkaasti polymeerilaadusta toiseen; virtausepästabiiliuden määrään ja tyyppiin vaikuttaa Polymeerin kemiallinen luonne Moolimassa ja moolimassajakauma Haaroittuneisuus Suuttimen/ kapillaarin L/D -suhde ja sisäänmenoaukon geometria Suuttimen/ kapillaarin in materiaali Lämpötila Virtausnopeus Yleistä kaikille polymeereille: Syyt: Kriittinen leikkausjännitys suuttimen seinämällä noin 0.1 MPa Tietyllä leikkausjännitysalueella spiraalimainen, säännöllinen, ruuvinomainen murtuma Vuorottainen liukuminen ja tarttuminen seinämää pitkin Äkillinen rajapinnan muutos ulostulossa

34 Suutinpaisuma Polymeerimolekyylit puristuvat ja orientoituvat kapillaarissa tai suuttimessa kuristuvan virtauksen mukaisesti, mutta viskoelastisuudesta johtuen niillä on muisti Ulostulossa suuttimesta tai kapillaarista molekyylit relaksoituvat alkuperäiseen olotilaansa ja sulavirran halkaisija suurenee Suutinpaisumalla on suora yhteys polymeerisulan viskoelastisuuden elastiseen komponenttiin G Halkaisijan suureneminen tapahtuu ajan funktiona ja on polymeerikohtaista, riippuu sulan viskoelastisista ominaisuuksista Pyörähdyssymmetrisellä profiililla suhteelliset dimensiot säilyvät samana, muunlaisilla profiileilla tapahtuu myös dimensioiden vääristymistä Kuva: Rheology Laboratory, University of Toronto Suutinpaisuman määrää voidaan kuvata sulan halkaisijan suhteena suuttimen ulostulon halkaisijaan leikkausnopeuden, suuttimen pituus/halkaisija suhteen, lämpötilan ja ajan funktiona: D / D0 = f ( γ&, L / D, T, t) w Erilaisille suutingeometrioille omat laskukaavansa Newtoniselle nesteelle D/D 0 1.3, polymeerisulille suhde voi olla jopa 2-3

35 Suutinpaisuma Suutinpaisuman kvantitatiivista määritystä hyödynnetään Sulan normaalijännitysten it t määrittämisessä i ä Tietyn suutindesignin tuottaman paisuman ennustamisessa Laskennassa tarvitaan monimutkaisia epälineaarisia perusyhtälöitä kuvaamaan viskoelastisuutta Suutinpaisumaa käytetään myös sulan elastisuuden kvalitatiivisessa määrittämisessä Määritys: Ekstrudaatin halkaisijan mittaus optisesti Ekstruusio samantiheyksiseen öljyyn pienentää virhettä (ei panovoiman aiheuttamaa valumista) Suutinpaisumaa suurentavat: Materiaalista johtuvat tekijät Polymeerisulan moolimassan kasvu Pitkiin ketjuihin painottunut moolimassajakauma Molekyylirakenteesta johtuvat tekijät epäselviä, esim. pitkäketjuhaaroittuneisuus Virtausolosuhteet Suuri leikkausnopeus suuttimen seinällä Lämpötilaero sulan ja suuttimen seinämän välillä (suuttimen jäähdytys) Geometriset tekijät Virtaussuunnassa kapeneva suutinprofiili Suuttimen pieni L/D suhde Kun suutin tarpeeksi pitkä, suutinpaisuman määrä riippumaton leikkausnopeudesta

36 Reologia ruiskuvalussa

37 Lähtökohdat Erätoiminen menetelmä myös hyvin pienten ja monimutkaisten kappaleiden valmistukseen, usein vaatimuksena Korkea pinnanlaatu Lujuus ja jäykkyys Mittapysyvyys Tarkat toleranssit Vaatimusten saavuttamiseksi muotin on täytyttävä kunnolla eikä lopullisessa kappaleessa saa olla liikaa jäännösjännityksiä. Lisäksi tuotantoprosessin pitäisi olla nopea ja kustannuksiltaan alhainen Muovin reologisen käyttäytymisen tunteminen ruiskuvaluprosessissa on erittäin tärkeää jotta onnistuttaisiin Muotti/ materiaaliyhdistelmien valinnassa Prosessiolosuhteiden id räätälöimisessä i ä Jakokanavistojen suunnittelemisessa Ruiskuvalukoneelta vaadittavan kapasiteetin arvioinnissa

38 Prosessiparametrien säätö Sulan lämpötila Lämpötilan nosto lisää virtaavuutta ja myöhentää portin jähmettymistä siten edesauttaen muotin täyttymistä. y Hidastaa jähmeäkerroksen syntymistä y edesauttaa orientaatioiden relaksoitumista pienentää jäännösjännityksiä Toisaalta pidentää sykliaikaa, saattaa aiheuttaa materiaalin tarttumista muottiin ja termistä hajoamista Muotin lämpötila Pitää olla materiaalin jähmettymislämpötilan alapuolella Liian matala muottilämpö nopeuttaa paksumman jähmeäkerroksen muodostumista kasvattaa leikkausjännitystä ja orientaatiota huonot mekaaniset ominaisuudet Ruiskutuspaine Suurentamalla ruiskutuspainetta saadaan sula virtaamaan paremmin (leikkausoheneminen); viskositeetin paineriippuvuus toisilla materiaaleilla kumoaa pienen osan tästä Sulan virratessa kapean portin läpi muottiin, paine saattaa olla jopa yli 100 MPa ja paine vaikuttaa viskositeettiin Korkeasta paineesta johtuen koneelta vaaditaan suurempi sulkuvoima ja materiaali saattaa tarttua muottiin tai muodostaa purseita, sekä aiheuttaa suuria jäännösjännityksiä valmiiseen kappaleeseen

39 Virtaus jakokanavistoissa ja porteissa Tyypillisesti korkea paine ja korkea leikkausnopeus Jokainen virtauspoikkipinta-alan muutos (suuttimet, portit, muuttuva virtausgeometria) aiheuttaa painehäviöitä Tavoite on suunnitella sellainen jakokanavisto joka aiheuttaa mahdollisimman vähän painehäviötä virtausmatkalla samalla niin, että kanavistosta aiheutuva jätteen määrä minimoidaan Pyöreä jakokanava aiheuttaa suhteessa pienimmät painehäviöt, mutta muunmuotoiset kanavat ovat joskus parempia helpomman valmistettavuuden tai valutappien poiston takia Haasteena erityisesti monipesäiset muotit joissa tavoitteena on jokaisen muottipesän täyttyminen tt yhtäaikaisesti i ti Helpoin ratkaisu olisi käyttää identtisiä jakokanavistoja ja symmetrisesti sijoiteltuja muottipesiä, mutta jätteen minimoinnin kannalta tämä ratkaisu on usein epätyydyttävä Kuristusvirtauksessa sulan elastisuus vaikuttaa painehäviöön; vaikutus suurempi materiaaleille joilla on suuri venymäviskositeetti

40 Muottipesien tasapainottaminen Monipesäisen muotin kaikkien pesien yhtäaikainen täyttymisen varmistamiseksi materiaalin viskositeetin avulla voidaan määrittää jakokanaviston dimensiot Viskositeetti putkivirtauksessa leikkausohenevaa; n ja K määritetään potenssilaista Painehäviö putkivirtauksessa p 2KL 3n + 1 = Q R n π R Δ 3 n Tilavuusvirran jokaiseen muottipesään oltava yhtä suuri (identtiset muottipesät) jotta ne täyttyisivät yhtäaikaisesti Jakokanavien halkaisija mitoitetaan lähinnä ruiskutuspistettä pienemmäksi kuin kauempana niin että painehäviö jokaisessa muottipesässä sama Ym. esitys olettaa isotermisen virtaustilanteen Q= tilavuusvirta R= jakokanavan säde n= potenssilaki-indeksi i k i K= potenssilakivakio

41 Virtaus muotissa Muottikanavassa leikkausvirtaus (painevirtaus) dominoi Sularintamassa virtaus on suihkulähdemäistä; tässä myös venytysvirtausta joka aiheuttaa seinämän ä suuntaista t orientaatiota ti t Muotin seinämät alhaisemmassa lämpötilassa kuin sula: ei-isoterminen virtaus Sula jähmettyy seiniltä alkaen muodostaen kappaleeseen voimakkaammin orientoituneen nahan (skin) ja vähemmän orientoituneen ytimen (core) Kuva: Järvelä P, Syrjälä K, Vastela M, Ruiskuvalu, Plastdata Oy, Tampere 2000

42 Epästabiilius suihkulähdevirtauksessa Sulan viskoelastisuus voi aiheuttaa pyörteistä epästabiiliutta suihkulähdevirtauksen sularintamassa Aiheuttaa heikentynyttä ttä pinnanlaatua; epätasaista pintakiiltävyyttä, heijastuvuutta, nk. virtausjälkiä tai tiikeriraitoja Liian nopea ruiskutus täyttymisen alkuvaiheessa: laminaarisen suihkulähdemäisen virtauksen sijaan muovi suihkuaa muottipesään aiheuttaen heikentynyttä lujuutta ja pintavirheitä valmistettavaan kappaleeseen Portti Kuva: Hirano K, Suetsugu Y, Kanai T. J. Appl. Polym. Sci. Vol.104, 1 Pages:

43 Virtaus muotin täyttymisen loppuvaiheessa Ruiskutuksen loppuvaiheessa prosessi muuttuu nopeusohjatusta paineohjatuksi Vältetään suuret painepiikit muotin ollessa jo lähes täynnä Muotin täydellinen täyttyminen jälkipaineella Yleisesti polymeerisulia voidaan käsitellä kokoonpuristumattomina nesteinä, mutta ruiskuvalussa paine on niin suuri että sillä on vaikutusta Viskositeetin paineriippuvuus tärkeämpi muotin täyttymisen loppuvaiheessa ja pakkausvaiheessa kuin ruiskutuksen k alussa Viskositeetin voimakas kasvu paineen funktiona saattaa aiheuttaa paineen tarpeen kasvun (virtausta lisättävä) kappaleen täyttymisen varmistamiseksi Täyttö nopeusohjattu Paineprofiili flmuottipesässä täyttymisen ja jälkipainevaiheen aikana Paine muottipe esässä Jälkitäyttö paineohjattu Portin jähmettyminen jälkipaine ei enää vaikuta Aika

44 Reologia puhallusmuovauksessa

45 Lähtökohdat Aihion valmistaminen ekstruusiolla (ekstruusiopuhallusmuovaus) Aihion paisuminen suuttimesta: evaluointi isotermisen leikkausvirtauksen avulla Aihion valuminen: uniaksiaalinen venyminen Aihion puhaltaminen: sekoitus planaarista ja biaksiaalista venytystä Aihion valmistaminen ruiskuvalamalla (venytyspuhallusmuovaus) Aihion valmistukseen pätevät samat reologiset olosuhteet kuin normaalissa ruiskuvalussa Ennen muotoonpuhallusta aihio lämmitetään uudelleen kumimaiseen tilaan jossa se on venytettävissä mutta ei täysin sula Kun tuotteen pituus/ halkaisija suhde suuri, puhaltamisen aikana venytystä voidaan avustaa pituussuunnassa mekaanisesti i tuurnalla Aihion valmistusvaiheessa virtaus leikkausvirtaus vallitseva deformaatiotyyppi Varsinainen muotoonpuhallettu tuote saadaan aikaan biaksiaalisen ja planaarisen venytyksen avulla

46 Ekstruusiopuhallusmuovaus: aihion paisuminen Suuttimessa virtaus pääasiassa leikkaustyyppistä Aihion paisuminen rengassuuttimessa ei voida täysin ennustaa polymeerin molekyylirakenteen perusteella erittäin herkkä suuttimen muodolle: laajentuvat ja supistuvat osat aiheuttavat molekyylien venymistä Myös ekstruusionopeus ja aika vaikuttavat suutinpaisumaa kompensoidaan pitkällä suuttimella joka toisaalta aiheuttaa leikkausjännitysten takia aksiaalista orientoitumista rengasmaisesta muodosta johtuen suutinpaisuman kuvaamiseen tarvitaan kaksi eri parametria: B B D H D h p p / D / h 0 0 Suutinpaisuman tarkka evaluointi edellyttää mittausta samankaltaisella suutingeometrialla ja prosessiparametreilla kuin varsinaisessa prosessissa Kuva: Dealy JM, Wissbrunn, Melt Rheology and its Role in Plastcis Processing, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1999

47 Ekstruusiopuhallusmuovaus: aihion valuminen Aihion valuminen painovoiman vaikutuksesta (sagging) Newtonisilla materiaaleilla valumista voisi kontrolloida yksinkertaisti kasvattamalla sulan viskositeettia Myös polymeereillä viskositeetin kasvattaminen auttaa, mutta viskoelastisuus tekee ongelmasta monimutkaisemman Valumisen määrä riippuu aihion pituudesta, ekstruusionopeudesta ja ajasta, ja polymeerin viskositeetista alhaisella jännitystasolla Kun ekstruusioaika on pitkä polymeerin molekyylien relaksaatioaikaan verrattuna, viskoosi virtaus hallitseva mekanismi, ja lyhyellä ekstruusioajalla elastinen deformaatio määräävä tekijä Pitkillä aihioiden valmistuksessa ekstruusioaika pidempi: viskoosi virtaus hallitsee, lyhyillä aihioilla elastisuus tärkeä tekijä Jos valuminen on vähäistä, valtaosa siitä tapahtuu aihion keskivaiheella, ja sen määrää voidaan arvioida suureella ρ glt / 2η ρ = sulan tiheys g = normaaliputoamiskiihtyvyys L = aihion pituus t = ekstruusioaika η = viskositeetti ko. ekstruusionopeudella suutin paisuminen aihio valuminen

48 Ekstruusiopuhallusmuovaus: aihion valuminen Valumista on yritetty evaluoida virumiskäyttäytymisen ja start-up venymäviskositeetin avulla, todellisuudessa jännitys ja venymä muuttuvat ajan funktiona, joten kumpikaan tapa ei anna täysin oikeaa arviota Luotettava menetelmä valuman ennustamiseen puuttuu; empiirisiä valuma vs. aika mittauksia käytetään aihion valuvuuden arviointiin Valuminen ja paisuminen yhdessä: aihionvalmistuksen mallinnus reologisesta näkökulmasta hvyin haasteellista Aihion pituus vain aihion paisuminen aihion ekstruusio Aika aihion paisuminen ja valuminen vain valuminen

49 Ekstruusiopuhallusmuovaus: aihion venyttäminen Aihion täyttäminen ilmalla Aihio venytetään varsinaiseen mittaansa ilman avulla: sekoitus planaarista ja biaksiaalista venytystä Venymäohenevilla materiaaleilla voi esiintyä epästabiiliutta ja aihion epätasaista pullahtamista venytysvaiheessa etenkin jos muotin halkaisijan suhde aihion halkaisijaan on liian suuri Tasainen täyttyminen venytyspaksuuntuvilla materiaaleilla: epätasaisesti syntyvissä ohuemmissa kohdissa venytyksen aikaansaama lujittuminen kompensoi pienempää paksuutta ja sula muualla muotissa ehtii saavuttaa saman paksuuden Useat puhallusmuovausmateriaalit alun perin ruiskuvaluun tarkoitettuja, ja niiden alhainen viskositeetti aiheuttaa ongelmia (liiallinen valuminen, repeäminen puhallusvaiheessa) joita on kompensoitu muuttamalla koneen konstruktiota ja lisäämällä avustavia prosessivaiheita kuten esitäyttö ilmalla Helpompaa ja järkevämpää on kuitenkin muokata polymeerin viskositeettia korkeammaksi alhaisilla venytysnopeuksilla muokkaamalla sen moolimassajakaumaa, seostamalla, käyttämällä ko-monomeerejä, osittaisella ristisilloituksella tai lisäaineistuksella

50 Venytyspuhallusmuovaus Aihio ruiskuvaletaan etukäteen ja kuumennetaan ennen muotoonpuhallusta uudelleen sopivaan lämpötilaan, kumimaiseen tilaan ei aihion valumista tai suutinpaisumaa Muotoonpuhalluksen onnistumisessa oikean lämpötilan ja lämmitysajan valinta olennaista Voimakas molekyyliorientaatio vaaditaan: suurin osa venytystyön tuloksesta tulisi olla elastista venymää, ja kitkalämpenemisen osuus pidettävä pienenä Esimerkiksi polyeteenitereftalaatille (PET, yleisin polymeeri venytyspuhallusmuovauksessa) tämän saavuttamiseksi vaadittava lämpötilaväli hyvin kapea: C prosessointi-ikkunaa ikk voidaan laajentaa komonomeereilla ja pehmittimillä, mutta nämä voivat myös heikentää mekaanisia ominaisuuksia

51 Reologia kalvonvalmistuksessa Kalvonpuhallus Kalvoekstruusio

52 Kalvonpuhallus Lähtökohdat Kalvonpuhalluksessa polymeerisula ekstrudoidaan rengassuuttimen läpi ja puhalletaan biaksiaalisesti orientoimalla tunnelimaiseksi kalvoksi avulla jäähdyttäen syntyvää kalvoa samanaikaisesti Tärkeimmät kalvosta määritettävät dimensiot ovat putkimaisen kalvon leveys litistettynä ja kalvon seinämäpaksuus Kaupallisissa prosesseissa tavoitteena mahdollisimman suuri tuotto (nopea syöttö/ vetonopeus) niin että halutut ominaisuudet säilyvät ja prosessi pysyy stabiilina Kun stabiiliuden rajat ylittyvät joko toinen tai molemmat em. dimensioista alkavat vaihdella sattumanvaraisesti Onnistunut prosessi edellyttää ekstruusionopeuden, vetonopeuden ja puhallusvenytyksen monimutkaisen kombinaation, sekä lämpötilan kontrollointia Ei-isoterminen, i i viskoelastinen i virtaustilanne il Biaksiaalista ja planaarista venytystä sekä (suuttimessa) leikkausvirtausta Suuttimen ulostulosta kalvon jähmettymislinjaan asti venymävirtaus vallitseva deformaatiotyyppi o

53 Kalvonpuhalluksessa käytettävät polymeerit Kalvonpuhalluksessa LDPE LLDPE (lineaarinen LDPE) ja HDPE käytetyimpiä materiaaleja Jatkuvuusyhtälö kalvonpuhalluksessa: Q = 2πRHV Q = ekstruusionopeus R = kuplan säde H = kalvon paksuus V = vetonopeus Viskositeetti huomioidaan lämpötilan, kiteytymisasteen ja deformaationopeuden funktiona: η( Π d, T, X ) = A = η exp( E / RT 0 Aexp( E / R + GX ) Π E = aktivaatioenergia i X = kiteisyysaste G = (kokeellinen) kiteytymisvakio Π d = deformaationopeustensori 0 ) ( n d 1) / 2 Polymeerin pieni potenssilaki-indeksi ja alhainen aktivaatioenergia viinilasimainen kupla, suuri n ja korkea E asteittain laajeneva kupla LDPE: kuplanmuoto tasaisesti laajeneva, HDPE: viinilasin muotoinen kupla parhaan LDPE HDPE stabiiliuden saavuttamiseksi, LLDPE: näiden välimuoto

54 Epästabiilius kalvonpuhallusprosessissa Epästabiilius voi ilmetä metastabiiliutena, kuplaepästabiiliutena, kierteisenä epästabiiliutena tai vetoresonanssina Liian suuri puhallussuhde: vetoresonanssi Suuri puhallussuhde ja alhainen vetonopeus: kierteinen epästabiilius Kierteinen epästabiilius metastabiililus Kuplaepästabiilius liittyy läheisesti polymeerin reologiaan Viskositeetin voimakas lämpötilariippuvuus parantaa stabiiliutta (viskositeetin säätely lämpötilaa muuttamalla helpompaa) Venymäviskositeetti: venytyspaksuuntuvat materiaalit stabiilimpia biaksiaalisessa venytyksessä kuin venytysohenevat vetoresonanssi kuplaepästabiilius erilaisia muotoja Kuplan stabiilius: LDPE>LLDPE>HDPE

55 Kalvoekstruusio Lähtökohdat Kalvoekstruusio (kalvonvalu) T-mallisella suuttimella yleinen menetelmä puolivalmistelevyjen (esim. lämpömuovausta varten) ja biaksiaalisesti orientoitujen kalvojen valmistuksessa Muovisula ekstrudoidaan rakomaisesta suuttimesta ja kalvoraina valssataan, jäähdytetään ja kerätään pyörivien telojen avulla Reologiaan liittyviä ongelmia valussa kalvon kuroutuminen paksumman listan muodostuminen rainan reunoille vetoresonanssi kalvon repeäminen tai puhkeaminen

56 Kalvoekstruusion ongelmat: kuroutuminen Raina kapenee vedossa vain suuttimen reunalla vedon suuntaa vastustavia normaalivoimia sen jälkeen vapaa virtauspinta kuroutuman syntyminen helpottuu Ongelma erityisesti pinnoituksessa alhainen viskositeetti ja korkea lämpötila pahentavat ongelmaa mitä leveämpi suutin, sitä suurempi suhteellinen e kurouma suuri suutinpaisuma vähentää kuroutumaa Yleisesti: mitä korkeampi kuroutuvuus materiaalilla on, sitä parempi venytettävyys: venytys voidaan tehdä suuremmalla nopeudella (esim. sulakehruussa) kurouma raina suutin kurouma

57 Kalvoekstruusion ongelmat: reunalistan muodostuminen suutinpaisuma ja pintajännitys (vain alhaisen viskositeetin pinnoitteiden ekstruusiossa) vaikuttavat ilmiöön pääsyy lienee reunan vapaa virtauspinta joka aiheuttaa erilaisen jännityskentän kuin rainan keskellä: reunalla ainoa normaalijännitys aiheutuu normaali-ilmanpaineesta Rainan reunoilla deformaatio likimäärin uniaksiaalista (vapaa virtauspinta), keskellä planaarista: Kalvonpaksuus planaarisessa venytyksessä keskellä rainaa h = h R 0 ( V 0 / V R ) Fluidielementin halkaisija uniaksiaalisessa venytyksessä d = h V / R 0 0 V R Reunalistan paksuus / rainan paksuus: d R = h R V R V 0 V 0 = nopeus suuttimen ulostulossa V R = vetotelan nopeus V R /V 0 = vetosuhde h 0 = kalvonpaksuus suuttimen ulostulossa vetosuunta reunalista

58 Kalvoekstruusion ongelmat: vetoresonanssi Jaksottaista vaihtelua (minkälaisen tahansa) ekstruusioprofiilin poikkipinta-alassa kun sitä kelataan suuttimelta tietyn kriittisen rajan ylittävällä vetosuhteella (V R / V 0 ) Aiheuttaa epätasaista t paksuutta ja saattaa johtaa rainan repeytymiseen esiintyy myös Newtonilla nesteillä (kriittinen V R / V 0 20) Kriittinen vetosuhde pienenee kun sulan lujuus kasvaa sulan lujuus kuvastaa venytysvirtauksessa syntyvän vetojännityksen suuruutta polyeteenille levyekstruusiossa raportoitu kriittinen vetosuhde n. 35 lineaarisille polyeteeneille vakavampi ongelma kuin haaroittuneille

59 Reologiset mittaukset

60 Reologiset mittaukset prosessoinnin tarpeisiin Reologiset ominaisuudet erittäin herkkiä muutoksille moolimassassa ja moolimassajakaumassa Sitä vastoin termiset ominaisuudet, jotka ovat myös tärkeitä prosessoinnissa, riippuvat molekyylien kemiallisesta rakenteesta ja eivät juuri vaihtele saman polymeerin eri laatujen/ erien välillä Valmistaja ilmoittaa usein vain polymeerin sulaindeksin, mikä ei välttämättä anna tarpeeksi tietoa virtausominaisuuksista koko sulatyöstöprosessia ajatellen Jos halutaan saada tarkkaa tietoa η [Pa s] Kaksi eri LDPE laatua: toisella kapeampi, toisella leveämpi moolimassajakauma polymeerin virtausominaisuuksista prosessissa, viskositeettimittaukset pitäisi suorittaa aina uudelle raaka-aine-erälle: myös saman laadun sisällä eri erien välillä voi olla eroja Yleensä mitataan leikkausviskositeetti Joskus venymäviskositeetti oleellisempi prosessin mallinnuksen kannalta γ [s -1 ]

61 Sulaindeksilaite Yksinkertaisin virtaavuuden mitta saadaan määrittämällä sulaindeksi (MFI, MFR): + Edullinen & yksinkertainen mittauslaite + Helppo tutkita (yksi lukuarvo) + Havaitsee hyvin moolimassamuutokset (soveltuu täten hyvin laadunvalvontaan) - Vain yksi piste ei kerro mitään viskositeettikäyrän muodosta - Mittaus tapahtuu yleensä pienillä leikkausnopeuksilla - Lisäinformaatiota on saatavissa suorittamalla mittaukset kahdella eri painolla (esim ja 21.6 kg)

62 Kapillaarireometri Kapillaarireometrimittaukset yleisimmät sulatyöstömenetelmiä varten tehtäviä reologisia mittauksia Polymeerisula ajetaan männän avulla sylinteristä kapillaarin läpi ja sen aiheuttama paine mitataan Myös suuret leikkausnopeudet; tyypillisesti n s -1 Suurehkot näytemäärät Mittaus myös korotetussa paineessa Pienillä nopeuksilla mitattava paine alhainen ei kovin tarkka menetelmä P

63 Rotaatioreometri Rotaatioreometrilla voidaan mitata tarkasti viskositeettia ja muita reologisia ominaisuuksia Näytteeseen kohdistetaan oskilloivaa tai rotaatiokuormitusta ja sen aiheuttama voima mitataan (leikkauskontrolloitu mittaus) Tai näytteeseen kohdistetaan määritelty jännitys ja mitataan sen aiheuttama muodonmuutos (jännityskontrolloitu mittaus) Pienet leikkausnopeudet ja alhaiset oskillointitaajuudet Soveltuu pienille näytemäärille Erilaisia geometrioita valittavissa näytteen koostumuksen ja viskositeetin mukaan; levy- ja kartiogeometriat viskoosimmille, kuppigeometriat juoksevammille nesteille kartio-levy levy-levy kuppigeometria i

64 Venymäviskositeetin mittaus Venymäviskositeetin mittaus antaa tarkkaa tietoa materiaalin molekyylirakenteesta Yleensä mitataan uniaksiaalista venytystä, esim. Sentmanat Extensional Rheometer (SER) Polymeeriliuskaa venytetään pyörivien rullien välissä ja siihen tarvittava voima ja liuskan venymä mitataan Likimääräiset menetelmät: laskenta kuristusvirtauksesta (esim. normaalit kapillaarireometrimittaukset) Cogswell tai Binding -menetelmällä Oletuksena, että leikkaus- ja venymädeformaatio voidaan erottaa toisistaan Venymäviskositeetti lasketaan kuristusvirtauksessa tapahtuvan painehäviön perusteella kulmapyörteet Sisäänvirtauspainehäviö ΔL ϕ 0 L 0 Tunnelimainen virtaus keskellä Sulan venyminen

65 Lähteitä Dealy JM, Larson RG, Structure and Rheology of Molten Polymers From Rheology to Flow Behavior and Back Again, Hanser Publishers, Munich, 2006 Dealy JM, Wissbrunn, Melt Rheology and its Role in Plastcis Processing, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1999 Järvelä P, Syrjälä K, Vastela M, Ruiskuvalu, Plastdata Oy, Tampere 2000 Morrison FA, Understanding Rheology, Oxford University Press, New York, Progelhof RC, Throne JL, Polymer Engineering Principles Properties, Processes, Tests for Design, Hanser Publishers, Munich, 1993 Toshitaka K, Campbell, GA (Eds.), Film Processing, Hanser Publishers, Munich, 1999