Polimer Eriyiği Reolojisi
Polimer eriyikleri, akışları zincir dolaşıklığı (chain entanglement) tarafından domine edilen viskoelastik sıvılardır; kritik bir molar kütlenin üzerinde zincirler reptasyon (reptation) yoluyla hareket ederek, işlemeyi yöneten dik viskozite ölçeklemesi, kayma incelmesi (shear thinning) ve elastik etkiler göstermektedir.
Tanım
Polimer eriyiği reolojisi, erimiş polimerlerin deformasyonunu ve akışını inceleyen, viskoelastik tepkilerini, viskozitenin molar kütleye, sıcaklığa ve kayma hızına bağımlılığını ve bunu üreten başlıca reptasyon olmak üzere moleküler dinamiklerini karakterize eden bir çalışma alanıdır.
Kapsam
Bu konu, erimiş polimerlerin akış davranışını kapsamaktadır: doğrusal viskoelastik modüller ve dolaşıklıklardan kaynaklanan kauçuksu plato, dolaşıklık molar kütlesi, sıfır-kayma viskozitesinin molar kütleye dik bağımlılığı, yüksek hızlarda kayma incelmesi, normal gerilme ve kalıp şişmesi (die-swell) elastik etkileri ve dolaşık eriyiklerdeki zincir dinamiklerini açıklayan reptasyon modeli incelenmektedir.
Temel sorular
- Eriyik viskozitesi neden kritik bir değerin üzerinde molar kütleye bu kadar dik bir şekilde bağlıdır?
- Reptasyon nedir ve dolaşık zincir hareketini nasıl tanımlamaktadır?
- Polimer eriyikleri neden kayma incelmesi göstermekte ve kalıp şişmesi gibi elastik fenomenler sergilemektedir?
- Bu davranışlar ekstrüzyon ve kalıplama koşullarını nasıl belirlemektedir?
Temel kuramlar
- Reptasyon ve tüp modeli
- Dolaşık bir zincir, komşuları tarafından bir tüp içinde hapsedilmekte ve bu tüp boyunca yılan benzeri difüzyonla gerilimi gevşetmektedir; bu durum, molar kütle ile yaklaşık olarak 3.4. kuvvetiyle ölçeklenen bir sıfır-kayma viskozitesi ve karakteristik bir gevşeme spektrumu öngörmektedir.
- Dolaşıklık ve kauçuksu plato
- Dolaşıklık molar kütlesinin üzerinde, zincirler birbirine nüfuz etmekte ve geçici bir ağ gibi davranarak, depolama modülünde bir plato ile eriyik işlemeyi domine eden kayma incelmesi ve elastik akış üretmektedir.
Mekanizmalar
Kısa zincirler, viskozitenin molar kütle ile yaklaşık olarak doğrusal bir şekilde arttığı sıradan bir viskoz sıvı gibi akmaktadır. Dolaşıklık molar kütlesinin üzerinde, zincirler birbirine nüfuz etmekte ve topolojik olarak birbirlerini kısıtlamaktadır; bu nedenle her zincir, yalnızca komşuları tarafından oluşturulan tüp boyunca boylamasına yayılarak (reptating) gerilimi gevşetebilmektedir. Bu kısıtlama, modülde kauçuksu bir plato, molar kütle ile yaklaşık 3.4. kuvvetiyle ölçeklenen bir viskozite ve zamana ve hıza bağlı davranışlar üretmektedir: yüksek kayma hızlarında zincirler yönlenmekte ve dolaşıklıkları çözülmekte, bu da viskoziteyi düşürmektedir (kayma incelmesi), depolanan elastik enerji ise normal gerilmelere ve ekstrüdat şişmesine (extrudate swell) neden olmaktadır.
Klinik önem
Eriyik reolojisi, her eriyik işleme operasyonunu doğrudan yönetmektedir: ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama, şişirme kalıplama ve lif çekimi (fiber spinning) gibi tüm işlemler viskoziteye, kayma incelmesine ve eriyik elastikiyetine bağlıdır. Molar kütlenin, dağılımın ve dallanmanın reolojik pencereye göre ayarlanması işlenebilirlik için kritik öneme sahiptir ve reolojik ölçüm, kalite kontrol ve akış kararsızlıklarını teşhis etmek için standart bir araç olarak kullanılmaktadır.
Tarihçe
Reptasyon kavramı, sabit bir ağ içinde hareket eden bir zinciri tanımlamak üzere 1971 yılında de Gennes tarafından tanıtılmıştır ve Doi ile Edwards, 1970'lerin sonlarında bu kavramı, Ferry'nin polimer viskoelastisitesine ilişkin önceki sistematiği üzerine inşa ederek, viskozitenin molar kütleye bağımlılığını başarıyla öngören dolaşık-eriyik dinamiklerinin tam bir tüp teorisine dönüştürmüşlerdir.
Öne çıkan isimler
- Pierre-Gilles de Gennes
- Masao Doi
- Samuel Edwards
- John Ferry
İlgili konular
Temel eserler
- rubinstein2003
- doi1986
Sıkça sorulan sorular
- Reptasyon nedir?
- Reptasyon, dolaşık bir polimer zincirinin hareket ettiği yılan benzeri bir harekettir: komşu zincirler tarafından çevrelenmiş olduğundan, yalnızca onların oluşturduğu tüp boyunca boylamasına yayılabilmektedir. Bu mekanizma, eriyik viskozitesinin molar kütle ile neden bu kadar dik bir şekilde arttığını açıklamaktadır.
- Polimer eriyikleri neden daha hızlı kaymaya maruz kaldığında incelmektedir?
- Yüksek kayma hızlarında, dolaşık zincirler akış yönünde yönlenmekte ve kısmen dolaşıklıkları çözülmektedir, bu da direnci azaltmaktadır. Bu kayma incelmesi, eriyiğin yüksek hızlarda kalıplardan ve enjeksiyon kalıplarına daha kolay akması nedeniyle işlemede kullanılmaktadır.