高分子材料流變基礎與應用

 

刊登日期:2017/2/5
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高分子材料於石化加工中,其產品性能會受到材料本質、材料加工流變行為、加工流場形狀、速度、加工溫度與壓力的影響。一般來說,在加工製程中材料流動性之控制,可透過原料選擇及製程參數之調控來達成。因此在流變分析系統方面,可分為穩態毛細管流變儀,將可掌握相關加工製程條件;與旋轉式動態流變儀,解析高分子材料分子結構差異造成彈性與黏性之特性變化。

毛細管流變儀( Capillay Rheometer )是目前發展最成熟,且應用最廣的流變測量儀器之一,可用來量測巨觀下之流變特性,其設備結構如圖二所示,以模擬材料於加工中的流動行為,其黏度測量範圍落在剪切速率 10-2~105 s-1 範圍之間,可以測定高分子熔體在毛細管中之剪切應力與剪切速率的關係,也可以根據擠出物的直徑和外觀,在恆定應力下通過改變毛細管的長徑比,來研究熔體的彈性和熔體破裂等不穩定的流變現象,可預測高分子材料的加工行為,為選擇高分子材料配方、最佳加工條件和控制產品品質提供依據。

在毛細管流變儀之應用方面,可進行包含纖維紡織、塗佈、貼合、淋膜、薄膜(板)押出、器件射出成型等高分子材料製程加工條件之分析,透過 Power Law Model ( Ostwald-de Waele ),如式(2)所示,可以快速分析出材料黏度與剪切率及溫度等加工之關係。
 
工研院材化所研究團隊透過結合毛細管流變儀與熔融強度測試儀( Rheotens ),進行高分子材料熔融強度評估,其操作與量測原理如圖四所示,當高分子熔體從模頭向下擠壓出,同時被兩個相反運動方向的滾輪牽引,均勻加速轉動,直到熔體斷裂,此熔體斷裂所受的力,為材料熔融強度。


圖四、工研院結合毛細管流變儀與熔融強度測試儀量測高分子材料熔融強度
圖四、工研院結合毛細管流變儀與熔融強度測試儀量測高分子材料熔融強度

相較於毛細管流變儀,其另一種穩定態的量測方式是旋轉式的流變儀(動態),旋轉式流變儀之原理是靠旋轉來產生剪切力。測量時,樣品一般是在一對相對轉動的夾具中進行剪切流動的量測,依機構的不同(圖六)分為二種,其一的量測模式是驅動一個夾具,測量產生的力矩,也稱為應變控制型旋轉式流變儀,即控制施加的應變,測量材料所相對應產生的應力;另一種量測方式則是施加一定的力矩,測量材料相對應所產生的旋轉速度,也稱之為應力控制型,即控制施加的應力,測量產生的應變。


圖六、應變控制型與應力控制型之旋轉式流變儀
圖六、應變控制型與應力控制型之旋轉式流變儀

工研院材化所發展高分子流變評估技術現況
1. 以流變儀量測高分子熔融態流變行為
由於高分子進行高分子流變實驗大都處於高溫( >Tm ),可利用流變儀來加以量測樣品之熱穩定性。圖九為聚丙烯樣品於 180˚C之熱穩定性評估,以固定的頻率對其樣品加熱到熔融態(其Tm約為165˚C),長時間進行觀察,由此可發現,聚丙烯之黏度於高溫時並無隨時間而有變化,於本實驗進行約 6小時之量測,可說明聚丙烯具不錯的熱安定性。

2. 以流變儀評估高分子複合材料之分散性
以20%之無機物加入聚丙烯高分子中進行混摻,並考慮不同之加工條件(如轉速、製程溫度等)。希望可由不同之實驗條件來了解無機物之分散性對於黏度之影響,圖十二以不同之碳酸鈣所量測之流變結果,其黏度隨著奈米粒子之添加量而增高,此現象與預期之結果------上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:陳姵吟、蔡昂達 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」362期,更多資料請見下方附檔。


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