Температурные характеристики расплавляемых связующих

Указание по применению реометра Physica

Проблема

Необходимо определить температурные характеристики связующих с помощью одной и той же измерительной системы в большом диапазоне температур. Данный диапазон должен простираться от низких температур, когда полимер находится в твердом состоянии и жесткий, до высоких температур, когда расплавленный полимер становится свободнотекучим.

Решение

Оборудование и метод

Температурные испытания в форме колебательных испытаний выполнялись с помощью реометра Physica UDS 200, измерительной приводной системы UM и системы управления температурой TEK 600 для измерительной системы пластинка/пластинка. Характеристики образцов измерялись с помо-щью измерительной системы MP 506 типа пластинка/пластинка с диаметром пластинки d = 12,5 мм. При наименьшей температуре измерения T = -60°C размер зазора между пластинками устанавливался 1,5 мм после достижения температурного равновесия в течение 10 мин. Для компенсации теплового расширения во время испытания использовалась функция автоматической установки зазора. Для колебательного измерения предварительно устанавливались следующие параметры: постоянная частота f = 2 Гц и постоянная амплитуда деформации γ = 1,6%.

Результаты и обсуждение

На графике внизу показаны динамический модуль упругости G’, модуль потерь G’’ и тангенс угла потерь tgδ. Динамическим модулем упругости описывается упругое, а модулем потерь – вязкостное поведение образца. Тангенс угла потерь рассчитывается по отношению модуля потерь к ди-намическому модулю упругости, по формуле tgδ = G''/G'. При температуре T = -60°C наблюда-ется практически твердое тело со значениями G' = 1,2·10⁷ Па (= 12 МПа) и G'' = 10·10⁵ Па (= 0,1 МПа), соответственно, tgδ = 0,008. Упругий компонент явно преобладает. Макромолекулы полимера "заморожены" и неподвижны. Выше T = -20°C начинается диапазон каучукоподобной эластичности и полимер размягчается. Значения G’ падают, значения G“ растут, и оба модуля достигают одинакового значения при T = 0°C, что отражается на значении tgδ. В данном температурном диапазоне сначала подвижность частей макромолекул, а затем, по мере роста температуры, подвижность молекул полимеров целиком, непрерывно увеличивается. Благодаря влиянию напряжения сдвига может случиться, что длинные молекулярные цепочки скользят друг относительно друга и частично распутываются. При T = +8°C значение тангенса угла потерь достигает максимального значения. Данный пик кривой обычно берется для оценки температуры стеклования Tg. Ниже температуры Tg полимер находится в стеклоподобном затвердевшем упругом или каучукоподобном состоянии, наподобие переохлажденного расплава. Выше температуры Tg в расплавленном состоянии он ведет себя подобно жидкости. В определенном диапазоне температур между T = +20° и +80°C кривые зависимостей G’ и G“ показывают почти постоянные значения. Это указывает на пока еще неполное расплавление суперструктур в полимере. Например, аморфные части в частично кристаллических полимерах могут быть уже расплавленными, а кристаллические части – еще нет. В таком случае более твердые кристаллические части окружаются жидкой аморфной долей полимера, наподобие диспергированного компонента в дисперсной системе. Так как при испытании образца в упомянутом выше диапазоне температур получается G’ > G“, соответственно, tgδ = 0,2 (<1), он имеет все еще вязкоупругую консистенцию с преобладанием упругой части. По данной причине такое связующее может вызывать серьезные проблемы при изготовлении в таком диапазоне температуры. При температуре, превышающей T = +80°C, G“ > G’, соответственно, tgδ >1. Например, при T = +140°C со значениями G“ = 120 Па и G’ = 70 Па, соответственно, tgδ = 1,7 (>1), становится очевидным жидкостный характер данного вязкоупругого расплава. В таком температурном диапазоне данное связующее может употребляться более просто, например, в форме пасты. Вследствие относительной малости упругого компонента можно избежать таких проблем, как образование нитей.

Рис 1. Графики динамического модуля упругости G’, модуля потерь G“ и тангенса угла потерь tgδ полимерного связующего, измеренных в диапазоне температур от -60°C до +140°C.

Текст: Томас Мецгер (Thomas Mezger)
Измерение: Клаус Воллни (Klaus Wollny)