Bestimmung verarbeitungsrelevanter Fließeigenschaften mit einem Hochdruck-Kapillarviskosimeter

Torsten Remmler, Malvern Instruments

v

Hochdruck-Kapillar

p

testXpo Fachmesse für Prüftechnik 10.-13.10.2016

Gliederung

› Was kann ein Kapillarrheometer messen?› Scher- und Dehnverhalten› Messprinzip eines Kapillarviskosimeters› Interpretation von Scher- und Dehnviskositätskurven› Weitere Anwendungen: Homogenitäts-Analyse, Wandgleiten,

Vorhersage von Fließinstabilitäten, Relaxation

› Zusatzoptionen: Strangaufweitung Die-Swell, Abzugsversuche

Was kann ein Kapillarrheometer messen?

Scherfließen in der PraxisWarum gibt es unterschiedliche Rheometer-Typen ?

Rotationsrheometer

HochdruckkapillarrheometerProben: wasserdünn bis hochviskosMeßgrößen: Scherviskosität, Dehnviskosität, Wandgleiten u.a.

10-110-3

Verlaufen, Sedimentieren

104101

Extrusion, Spritzguß

100 102

Auftragen, Mischen

103 106

Roll Coating, Versprühen

Proben: wasserdünn bis festkörperartigMeßgrößen: Scherviskosität, Viskoelastizität, Fließgrenzen, Relaxationsverhalten u.a.

s-1

Dehnfließen in der Praxis

Uniaxiale Dehnung Biaxiale Dehnung

Konvergente Strömungen Folienblasen

Kraft

Kraft

Definition der Viskosität

Innerer Widerstand einer Substanz gegen das viskose Fließen

=

.

Scherrate. Schubspannung Scherviskosität

=

.

Dehnrate. Dehnspannung Dehnviskosität

Messprinzip

Vorgabe: Stempelgeschwindigkeit WandscherrateMeßgröße: Gesamtdruckabfall Wandschubspannung

ZYLINDER

L

vollständig ausgeprägtes Strömungsprofil

Einlauf länge

P1

Pw

00 L

Z

P

v

2R

Einlaufdruckverlust

Scherdruckverlust

GemessenerGesamtdruckverlust

=

+

kleiner Kolbenextruder

Die laminare RohrströmungIsotherme stationäre Strömung einer inkompressiblen Flüssigkeit

3app

Q4R

.

2P. R

Lapp

NewtonscheProbe

-R R0

-R 0 R

0

NewtonscheProbe

NichtnewtonscheProbe

Q = Volumenstrom, R= Düsenradius, L= Düsenlänge, P=Druckabfall

Verhalten an Querschnittsänderungen

Ziel: Einlaufdruck und Scherdruck müssen getrennt werden!

an jeder Querschnittsöffnung treten Einlaufdruckverluste auf durch:

• Elastische Verformung• Beschleunigung

• Sekundärströmungen• viskose Dehnströmungen

Druckmessung Kapillardüse

ConvergentFlow

Das Rosand Doppelkapillar-Prinzip mit Nulldüse

Pges

v

2R

Pgesamt= Pscher + Peinlauf links: Kapillardüse rechts: Nulldüse

v

L pscher

peinlauf peinlauf

Trennung von Scher- und Einlaufdruckverlust: Simulatane Bestimmung der Scher – und Dehnviskosität

Praktisches Messbeispiel: LDPE

LDPE bei 190°C

1,0E+01

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E-04 1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06

Shear Rate / Extensional Rate (1/s)

Shea

r Vis

cosi

ty /

Exte

nsio

nal V

isco

sity

(Pas

) Low Shear Test Zero ShearViscosityLow Shear 2.0mm

Standard Shear 1mm

Standard Shear Melt Fracture

High Shear 0.5mm

Low Extension 2.0mm

Standard Extension 1mm

Standard Extension MeltRupture

High Extension 0.5mm

Dehnrheologie in der Praxis: LDPE

Folienblasen

Folienblasen ist maßgeblich durch Dehnverhalten bestimmt

Oberflächeninstabilitäten LDPE

Kühlring

Blasform

Optimierung des Dehnverhaltens

Dehnviskosität - Vergleichskurven zwischen Homopolymer PE und Polymerblend PE-PP

1,0E+02

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E-04 1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 1,0E+06

Extensional Rate (1/s)

Ext

ensi

onal

Vis

cosi

ty (P

as)

Sample 2

Sample 2

Sample 2

Sample 2

Sample 1

Beispiel: Co-Extrusion

HoheBeschleunigung

NiedrigeBeschleunigung

Beispiel Fließinstabilitäten LDPE in Co-Extrusion

Instabilitäten sind dehnviskositätsbedingt.Zatloukal et. al. Journal of Applied Polymer Science, 98 (2005) 153

Anwendungsbeispiel: Dispersionsklebstoff

Kombination beider Messmethoden liefert komplettes Scherfließverhalten

Anwendungsbeispiel: Online-Druckverlauf

Prinzipielle Aussagen zur Homogenität

Aus Schwankungsbreite und Volumenstrom können Aussagen zurLängenskala von Inhomogenitäten abgeleitet werden.

homogen inhomogen

Weitere Anwendungen: Fließinstabilitäten

Kritische Verarbeitungsbedingungen können im Vorfeld ermittelt werden

Melt fracture (Scherbruch) Melt rupture (Dehnbruch)

Druckoszillationen Kapillardüse Druckoszillationen Nulldüse

v

t

Prinzip:Lineare Rampe

Weitere Anwendungen: WandgleitenWandgleitkurve LDPE

Wandgleiten oberhalb von 110kPa Wandschubspannung.

Auftragung nach M. Mooney, J. Rheology 2, 210 (1931)

Wandgleitgeschwindigkeit bei 190°C

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Shear Stress (kPa)

Wal

l Slip

Vel

ocity

(m/s

)

Wall Slip according to MooneyModel

Critical Stress

critical stress 120 kPa

Vmax Vmax

Vw = 0Vw = 0

Wandhaftung Wandgleiten

Weitere Anwendungen: Relaxationsversuch

Erholung nach der Verarbeitung

innere Spannungen können Risse in Formteilen verursachen, End-Relaxationsdruck stellt Fließgrenze dar

v

t

Prinzip:

Relaxation 190°C LDPE

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400Real Time (sec)

Pres

sure

Dro

p (M

Pa)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Online Pressure Drop

Shear Rate

Thermal Equilibrium Time

Relaxation Time= 26.75 sec

( Mono-exp. Decay)

Weitere Anwendungen: Thermischer Abbau

Messung bei konstanter Scherrate

Thermischer Abbau-Versuch zeigt maximale Verarbeitungsdauer

v

t

Prinzip:

Thermischer Abbau at 260°C

0

1

2

3

4

5

6

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

real time (sec)

Pres

sure

(MPa

)

0

10

20

30

40

50

60

70

Pressure Drop

Shear Rate

Extruded Volume

Shea

r Rat

e (/s

) / E

xtru

ded

Volu

me

(cm

3 )

Modell-Typen

Tischgerät RH2000 und Standgerät RH7/10

Beispiel-Messung

Hardwareseitige Zusatz-Module: Die-Swell

Bestimmung der Strangaufweitung

Merkmale: • Mono- bzw. biaxiales Lasersystem • horizontal und vertikal verschiebbar• Aussage zur Elastizität der Probe

Hardwareseitige Zusatz-Module: Haul Off-Strangabzug

Merkmale: • Möglichkeit zur Prozeßsimulation (Faserspinnen, Extrusionsblasen) • Bestimmung der Abzugskraft (Auflösung 0.2 mN) bei vorgegebener

Abzugsgeschwindigkeit (0.5 bis 1000 m/min) bis zum Faserabriß• Probenkenngröße: Faserabrißkraft

F, vp

Zusammenfassung

› Bestimmung der Einlaufdruckverluste durch direkte Messung› Ermittlung der Dehnviskosität als wichtiger Strukturparameter› Ermittlung der Fließkurve bis zu sehr hohen Scher- und Dehnraten› Ermittlung der Wandgleiteigenschaften mittels Mooney-Korrektur› Korrelation mit Verarbeitungseigenschaften, Prozess-Simulation› Ermittlung von Fließinstabilitäten

Was kann ein Hochdruckkapillarviskosimeter für Sie leisten?

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

www.malvern.de

Weitere Informationen zu rheologischen Fragestellungen finden Sie auf

Email: torsten.remmler@malvern.com