Độ lưu biến của polyme nóng chảy

Polyme nóng chảy là chất lỏng nhớt đàn hồi có dòng chảy bị chi phối bởi sự vướng víu của chuỗi; trên một khối lượng mol tới hạn, các chuỗi di chuyển bằng cách trườn (reptation), tạo ra sự thay đổi độ nhớt dốc, sự giảm độ nhớt khi cắt (shear thinning) và các hiệu ứng đàn hồi chi phối quá trình xử lý.

Definition

Độ lưu biến của polyme nóng chảy là nghiên cứu về sự biến dạng và dòng chảy của polyme nóng chảy, đặc trưng cho phản ứng nhớt đàn hồi của chúng, sự phụ thuộc của độ nhớt vào khối lượng mol, nhiệt độ và tốc độ cắt, và động lực học phân tử, chủ yếu là sự trườn (reptation), tạo ra nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm hành vi dòng chảy của polyme nóng chảy: các mô đun nhớt đàn hồi tuyến tính và cao nguyên cao su từ sự vướng víu, khối lượng mol vướng víu, sự phụ thuộc mạnh mẽ của độ nhớt cắt bằng không vào khối lượng mol, sự giảm độ nhớt khi cắt ở tốc độ cao, các hiệu ứng đàn hồi ứng suất pháp tuyến và giãn nở khuôn (die-swell), và mô hình trườn (reptation) giải thích động lực học chuỗi trong polyme nóng chảy vướng víu.

Core questions

• Tại sao độ nhớt của polyme nóng chảy lại phụ thuộc mạnh mẽ vào khối lượng mol trên một giá trị tới hạn?
• Trườn (reptation) là gì và nó mô tả chuyển động của chuỗi vướng víu như thế nào?
• Tại sao polyme nóng chảy lại giảm độ nhớt khi cắt và thể hiện các hiện tượng đàn hồi như giãn nở khuôn (die swell)?
• Những hành vi này thiết lập các điều kiện cho quá trình đùn và đúc như thế nào?

Key theories

Sự trườn (Reptation) và mô hình ống

Một chuỗi vướng víu bị giới hạn bởi các chuỗi lân cận trong một ống và giải tỏa ứng suất bằng cách khuếch tán giống như rắn dọc theo ống đó, dự đoán độ nhớt cắt bằng không tỷ lệ với khối lượng mol theo lũy thừa khoảng 3.4 và một phổ thư giãn đặc trưng.

Sự vướng víu và cao nguyên cao su

Trên khối lượng mol vướng víu, các chuỗi xen kẽ và hoạt động như một mạng lưới tạm thời, tạo ra một cao nguyên trong mô đun lưu trữ và dòng chảy đàn hồi giảm độ nhớt khi cắt chi phối quá trình xử lý nóng chảy.

Mechanisms

Các chuỗi ngắn chảy như một chất lỏng nhớt thông thường, với độ nhớt tăng gần như tuyến tính với khối lượng mol. Trên khối lượng mol vướng víu, các chuỗi xen kẽ và hạn chế lẫn nhau về mặt cấu trúc liên kết, do đó mỗi chuỗi chỉ có thể giải tỏa ứng suất bằng cách trườn (reptating), khuếch tán theo chiều dài dọc theo ống được hình thành bởi các chuỗi lân cận. Sự hạn chế này tạo ra một cao nguyên cao su trong mô đun, độ nhớt tỷ lệ với khối lượng mol theo lũy thừa khoảng 3.4, và hành vi phụ thuộc vào thời gian và tốc độ: ở tốc độ cắt cao, các chuỗi định hướng và gỡ rối, làm giảm độ nhớt (giảm độ nhớt khi cắt), trong khi năng lượng đàn hồi tích trữ gây ra ứng suất pháp tuyến và sự giãn nở của sản phẩm đùn (extrudate swell).

Clinical relevance

Độ lưu biến của polyme nóng chảy trực tiếp chi phối mọi hoạt động xử lý nóng chảy: đùn, ép phun, ép thổi và kéo sợi đều phụ thuộc vào độ nhớt, sự giảm độ nhớt khi cắt và độ đàn hồi của polyme nóng chảy. Việc điều chỉnh khối lượng mol, phân bố và phân nhánh theo cửa sổ lưu biến là điều cần thiết để có khả năng xử lý, và phép đo lưu biến là một công cụ tiêu chuẩn để kiểm soát chất lượng và chẩn đoán sự mất ổn định dòng chảy.

History

Khái niệm trườn (reptation) được de Gennes giới thiệu vào năm 1971 để mô tả một chuỗi di chuyển qua một mạng lưới cố định, và Doi và Edwards đã phát triển nó vào cuối những năm 1970 thành một lý thuyết ống hoàn chỉnh về động lực học của polyme nóng chảy vướng víu, dự đoán thành công sự phụ thuộc của độ nhớt vào khối lượng mol, dựa trên sự hệ thống hóa trước đó của Ferry về tính nhớt đàn hồi của polyme.

Key figures

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

Seminal works

• rubinstein2003
• doi1986

Frequently asked questions

Trườn (reptation) là gì?

Trườn (reptation) là chuyển động giống như rắn mà một chuỗi polyme vướng víu di chuyển: bị kẹt giữa các chuỗi lân cận, nó chỉ có thể khuếch tán theo chiều dài dọc theo ống mà chúng tạo thành. Cơ chế này giải thích tại sao độ nhớt của polyme nóng chảy tăng mạnh với khối lượng mol.

Tại sao polyme nóng chảy lại trở nên loãng hơn khi cắt nhanh hơn?

Ở tốc độ cắt cao, các chuỗi vướng víu định hướng và một phần gỡ rối theo hướng dòng chảy, làm giảm sức cản. Sự giảm độ nhớt khi cắt này được khai thác trong quá trình xử lý, vì polyme nóng chảy chảy dễ dàng hơn qua các khuôn và vào khuôn ở tốc độ cao.