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 2010. október 27-én a KECSKEMÉTI F/ISKOLA GAMF KARA FÉM- ÉS M0ANYAG-FELDOLGOZÓ TECHNOLÓGIAI 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 „!"#$" %&'” (minden folyik). A reológia a múlt század hatodik és hetedik évtizedében állt a m!anyag kutatások középpontjában. Manapság az akkor elért kutatási eredményeket hasznosítják a m!szergyártó cégek, valamint a szerszámtervezést és feldolgozást segít" számítógépes programok. 1.1. A reológia alkalmazása a molekuláris jellemz!k meghatározására A legfontosabb reológiai jellemz(k a nyíróviszkozitás, az els(- és második normálviszkozitás, a dinamikus jellemz(k, a relaxációs id(, a relaxációs spektrum, a nyírási lágyság és a nyírómodulusz. Két független módszer létezik a molekulatömeg-eloszlás és a reológiai jellemz(k egymásból történ( konvertálására [1]. A reológiai változók a feszültség (tenzormennyiség), mely lehet nyíró, nyújtó és oszcilláló, a deformáció (tenzor) és az id" (skalár), a Deborah szám az anyagot jellemz" relaxációs id" és a kísérlet idejének hányadosa. Egyszer! nyíródeformáció esetén a modulusz (G) a nyírófeszültség ($) és a nyírás ()) hányadosa, míg nyíróáramlás esetén a nyírófeszültség ($), a nyírósebesség ()·) és e kett" hányadosa, a nyíróviszkozitás (*) az alapmennyiségek. A reológiai függvények a folyásgörbéb"l vezethet"k le, ezek a nyíróviszkozitás-függvény (*()·)), az els"- és a második normálfeszültség-függvény (!12()·),
!23()·)). A nyíróviszkozitás függ a molekulatömegt"l, a molekulatömeg-eloszlástól, a h"mérséklett"l és a nyomástól. Nyújtási áramlás esetén a nyújtóviszkozitás (*T) a második normálfeszültség különbség (!23()·)) és nyújtási sebesség ()·e) hányadosaként adódik. Oszcilláló áramlást a vizsgálati mintára szinuszos deformáció (A = A0·sin+t) ráadásával valósíthatunk meg, a válaszfüggvény (B = B0·sin(+t+,)) a minta viselkedését"l függ"en , id"késéssel realizálódik. A dinamikus moduluszok (G# és G$) a körfrekvencia függvényében monoton n"nek és adott körfrekvenciánál metszik egymást, ez a Gc érték. A komplex viszkozitás (**) a körfrekvencia-függvényében csökken. A plato modulusz empirikus kapcsolatban áll a GN0 = G$max értékkel, a 2,63 ? log1PI2 G0N log G 5 0,38 1 1 1 2,45 ? log1PI2 c összefüggés szerint, ahol (PI) a polidiszperzitás. M!anyag szerkezeti elemek alkalmazásánál a fémekkel szemben dönt" fontosságú lehet a feszültségrelaxáció. Ha a terhelést egységugrás függvénnyel adjuk rá a mintára, akkor a feszültség válaszfüggvény (modulusz) rugalmas fluidum esetén id"ben állandó, viszkoelasztikus fluidum esetén csökken, azaz a modulusz id"függ", míg viszkózus polimerömledékek esetén csaknem zérusra csökken a G(t) = -(t)/) összefüggésnek megfelel"en. A szerkezeti elemben felépül" deformáció a kúszással jellemezhet", egységugrás bemen"- és kimen" feszültségre a rugalmas válasz pillanatszer! állandó deformáció, mely pillanatszer!en megsz!nik, míg viszkózus esetben az id"függ" deformáció a J(t) = )(t)/- összefüggésnek megfelel"en n", majd állandó marad. A polimer molekulatömeg-eloszlása meghatározható a nyíróviszkozitás függvényb"l, vagy az oszcilláció kísér-
ATESTOR Anyagvizsgálat-Méréstechnika Kft., 1016 Budapest, Aladár utca 19. Telefon: 1-319-1319,
[email protected], www.atestor.hu
24
2011. 48. évfolyam 1. szám
letekb"l a G# és G$ 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 Tg (üvegesedési h"mérséklet) és a Tm (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 (Je0) valószín!sítenek. 1.2. 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 ki-
fejlesztett 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 10 000 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
2011. 48. évfolyam 1. szám
25
2. ábra. Bagley korrekció, látszólagos és korrigált viszkozitás
1. táblázat. A viszkozitás függése a h!mérséklett!l és a nyomástól Jellemz!k %pvalós MPa %Tdisszipációs °C *alap Pa·s *disszipációs Pa·s *nyomás Pa·s %pkorrigált MPa
Tanyag, °C Tszerszám, °C Qmin Qmax Qmin Qmax Qmin Qmax Qmin Qmax Qmin Qmax Qmin Qmax
180 30 10,67 15,95 5,40 8,00 267,00 20,00 232,00 16,10 277,60 21,20 11,40 17,20
180 180 12,54 28,24 6,33 14,27 313,5 35,30 265,80 24,35 328,20 39,14 13,47 28,10
220 30 11,42 14,90 5,70 7,50 285,60 18,59 245,80 15,3 297,80 19,70 12,23 16,00
220 220 8,53 20,65 4,31 10,40 213,3 25,80 190,70 19,67 220,00 27,80 9,03 22,04
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:
26
3. ábra. Nyújtóviszkozitás a nyújtási sebesség függvényében
t tanw ? e 5 g ? tanw 3 s hnyújtási 5 e s5
(1) (2) (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.
2011. 48. évfolyam 1. szám
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 10szeresére 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.
ruder 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
A kapillárviszkoziméterhez kapcsolható pvT mér"egy- 6. ábra. Az új és régi mér(berendezés összehasonlítása,Résfúséget is továbbfejlesztették izoterm és izobár mérési vóka méretek: L = 30 mm, W = 3 mm, H = 0,3 mm, távadók helyei 6 mm, 15 mm, 24 mm. 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 ext7. ábra. A folyási instabilitások detektálása 2011. 48. évfolyam 1. szám
27
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. 2.2. 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. 28
A csigaátmér" 16–60 mm (átlag 25–35 mm), az L/D = 15–60, a kihozatali teljesítmény min. 0,5–1,0 kg/h, max. 100–150 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. 5–10 kW-os motorral 200–1500 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, 2011. 48. évfolyam 1. szám
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
2011. 48. évfolyam 1. szám
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 15–20 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?
29
