رئولوژی مذاب پلیمر

مذاب‌های پلیمری مایعات ویسکوالاستیک هستند که جریان آن‌ها تحت سلطه درهم‌تنیدگی زنجیره‌ها است؛ بالاتر از یک جرم مولی بحرانی، زنجیره‌ها با خزش (reptation) حرکت می‌کنند و باعث مقیاس‌بندی شدید گرانروی، کاهش گرانروی برشی و اثرات کشسانی می‌شوند که فرآیند را کنترل می‌کنند.

Definition

رئولوژی مذاب پلیمر مطالعه تغییر شکل و جریان پلیمرهای مذاب است که پاسخ ویسکوالاستیک آن‌ها، وابستگی گرانروی به جرم مولی، دما و نرخ برش، و دینامیک مولکولی، عمدتاً خزش، را که آن را تولید می‌کند، مشخص می‌کند.

Scope

این موضوع رفتار جریان پلیمرهای مذاب را پوشش می‌دهد: مدول‌های ویسکوالاستیک خطی و فلات لاستیکی ناشی از درهم‌تنیدگی‌ها، جرم مولی درهم‌تنیدگی، وابستگی شدید گرانروی برشی صفر به جرم مولی، کاهش گرانروی برشی در نرخ‌های بالا، اثرات کشسانی تنش نرمال و تورم قالب، و مدل خزش که دینامیک زنجیره را در مذاب‌های درهم‌تنیده توضیح می‌دهد.

Core questions

• چرا گرانروی مذاب بالاتر از یک مقدار بحرانی به شدت به جرم مولی بستگی دارد؟
• خزش چیست و چگونه حرکت زنجیره درهم‌تنیده را توصیف می‌کند؟
• چرا مذاب‌های پلیمری کاهش گرانروی برشی نشان می‌دهند و پدیده‌های کشسانی مانند تورم قالب را از خود بروز می‌دهند؟
• چگونه این رفتارها شرایط اکستروژن و قالب‌گیری را تعیین می‌کنند؟

Key theories

خزش و مدل لوله

یک زنجیره درهم‌تنیده توسط همسایگانش در یک لوله محصور شده و با انتشار مارپیچی در امتداد آن لوله تنش را کاهش می‌دهد، که گرانروی برشی صفر را پیش‌بینی می‌کند که با جرم مولی به توان تقریباً 3.4 و یک طیف آرامش مشخص مقیاس می‌شود.

درهم‌تنیدگی و فلات لاستیکی

بالاتر از جرم مولی درهم‌تنیدگی، زنجیره‌ها در یکدیگر نفوذ کرده و به عنوان یک شبکه گذرا عمل می‌کنند و یک فلات در مدول ذخیره و جریان برشی و کشسانی را تولید می‌کنند که بر فرآیند مذاب غالب است.

Mechanisms

زنجیره‌های کوتاه مانند یک مایع ویسکوز معمولی جریان می‌یابند، با گرانروی که تقریباً خطی با جرم مولی افزایش می‌یابد. بالاتر از جرم مولی درهم‌تنیدگی، زنجیره‌ها در یکدیگر نفوذ کرده و یکدیگر را از نظر توپولوژیکی محدود می‌کنند، بنابراین هر زنجیره تنها می‌تواند با خزش، انتشار طولی در امتداد لوله‌ای که توسط همسایگانش تشکیل شده است، تنش را کاهش دهد. این محدودیت یک فلات لاستیکی در مدول، گرانروی که با جرم مولی به توان حدود 3.4 مقیاس می‌شود، و رفتار وابسته به زمان و نرخ را تولید می‌کند: در نرخ‌های برشی بالا، زنجیره‌ها جهت‌گیری کرده و از هم باز می‌شوند و گرانروی را کاهش می‌دهند (کاهش گرانروی برشی)، در حالی که انرژی کشسانی ذخیره شده باعث تنش‌های نرمال و تورم اکسترودات می‌شود.

Clinical relevance

رئولوژی مذاب مستقیماً هر عملیات فرآیند مذاب را کنترل می‌کند: اکستروژن، قالب‌گیری تزریقی، قالب‌گیری بادی و ریسندگی الیاف همگی به گرانروی، کاهش گرانروی برشی و کشسانی مذاب بستگی دارند. تنظیم جرم مولی، توزیع و شاخه‌دار بودن برای پنجره رئولوژیکی برای قابلیت فرآیندپذیری ضروری است، و اندازه‌گیری رئولوژیکی یک ابزار استاندارد برای کنترل کیفیت و تشخیص ناپایداری‌های جریان است.

History

مفهوم خزش توسط دو ژن در سال 1971 برای توصیف حرکت یک زنجیره از طریق یک شبکه ثابت معرفی شد، و دوی و ادواردز آن را در اواخر دهه 1970 به یک نظریه کامل لوله‌ای از دینامیک مذاب درهم‌تنیده توسعه دادند که با موفقیت وابستگی گرانروی به جرم مولی را پیش‌بینی کرد و بر اساس سیستماتیک‌سازی قبلی فری از ویسکوالاستیسیته پلیمر بنا شد.

Key figures

• Pierre-Gilles de Gennes
• Masao Doi
• Samuel Edwards
• John Ferry

Seminal works

• rubinstein2003
• doi1986

Frequently asked questions

خزش چیست؟

خزش حرکت مارپیچی است که توسط آن یک زنجیره پلیمری درهم‌تنیده حرکت می‌کند: با محصور شدن توسط زنجیره‌های همسایه، تنها می‌تواند به صورت طولی در امتداد لوله‌ای که آن‌ها تشکیل می‌دهند، منتشر شود. این مکانیسم توضیح می‌دهد که چرا گرانروی مذاب با جرم مولی به شدت افزایش می‌یابد.

چرا مذاب‌های پلیمری وقتی سریع‌تر برش داده می‌شوند، رقیق‌تر می‌شوند؟

در نرخ‌های برشی بالا، زنجیره‌های درهم‌تنیده در جهت جریان جهت‌گیری کرده و تا حدی از هم باز می‌شوند و مقاومت را کاهش می‌دهند. این کاهش گرانروی برشی در فرآیندها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، زیرا مذاب در نرخ‌های بالا راحت‌تر از قالب‌ها و به داخل قالب‌ها جریان می‌یابد.