Reološke meritve smo izvajali na reometru Anton Paar MCR 302 s pomočjo senzorskega sistema dveh vzporednih plošč, pri katerem je premer senzorja, ki predstavlja zgornjo ploščo, enak 25 mm. Med meritvami je bil razmik med ploščama enak 1 mm. V okviru reoloških meritev smo izvajali oscilacijske amplitudne ter frekvenčne in rotacijske tokovne teste. Pred izvedbo meritev smo najprej vzorec nanesli na spodnjo merilno ploščo (1. korak na sliki 3.2), ki je bila predhodno segreta na 210 °C. Po šestih minutah termostatiranja vzorca na visoko temperaturo smo vzorec stisnili z zgornjo ploščo (2. korak na sliki 3.2). Počakati smo morali, da se je reakcijska sila (normalna sila) zaradi stiskanja vzorca ustalila. Čas, da se je sila ustalila oz. spustila na vnaprej določeno vrednost, se je večal z večanjem deleža steklenih kroglic. Pri tem je senzor prek motorja v glavi reometra v vzorec dovajal strižne obremenitve v skladu s prej nastavljenimi vrednostmi na računalniku (3. korak na sliki 3.2).
Slika 3.2: Prikaz senzorskega sistema z vzorcem
Ko je bil vzorec v stanju taline med obema ploščama senzorskega sistema in preden se je zgornja plošča popolnoma spustila na končno razdaljo 1 mm od spodnje plošče, je bilo treba zagotoviti natančen volumen vzorca v senzorskem sistemu, torej je bilo treba odstraniti odvečni material vzorca – 'porezati' odvečni vzorec. To smo naredili tako, da smo s pomočjo računalnika nastavili, da se je senzor spustil na višino 1,025 mm. Ko je senzor obstal na tej višini, je računalnik sporočil, da lahko vzorec 'porežemo'. Okoli senzorja smo tako odstranili odvečni material in pri tem pazili, da je bil material pravilno razporejen pod senzorjem in da
Metodologija raziskave
23 pri tem nismo s senzorja odstranili preveč vzorca. Pravilno namestitev vzorca v senzorskem sistemu prikazuje slika 3.3.
Slika 3.3: Prikaz pravilne razporeditve materiala pod senzorjem
Ko smo vzorec pravilno namestili med obe plošči senzorskega sistema (slika 3.3), je računalnik poslal signal napravi in zgornja plošča se je spustila na končno višino 1 mm od spodnje plošče.
Namestitev vzorca v senzorski sistem s pomočjo modela za pripravo vzorca
Model za pripravo vzorca je bil sestavljen iz dveh delov, ki sta sestavljala obroč, ki skrbi, da vzorec ostane enakomerno pod senzorjem. Pri uporabi modela za pripravo vzorca smo vanj najprej vsuli material v obliki granul do približno 1/3 višine modela. Nato smo zgornjo ploščo spustili na višino 17 mm od spodnje plošče. Na tej višini smo modelček poravnali pod senzor in tako preprečili poškodbe senzorja. Nato smo senzor spustili na 5 mm in počakali, da se je material stalil. Ko se je material stalil, smo senzor spustili na 2 mm in previdno odstranili modelček.
Koraki merjenja
Vse meritve so se pričele z enakimi koraki:
1. nastavitev želene temperature (210 °C),
2. izbira ničelne pozicije senzorskega sistema – »Zero gap«, 3. priprava materiala v modelčku (približno 1/3 višine modelčka),
4. odprtje dušika N2 (0,75 m3/h) za vzpostavitev dušikove atmosfere (preprečevanje oksidacije vzorca),
5. spuščanje zgornje plošče na višino 17 mm in poravnavanje z modelčkom, 6. spuščanje zgornje plošče na višino 5 mm,
7. termostatiranje vzorca z namenom taljenja (5–6 min), 8. spuščanje zgornje plošče na višino 2 mm,
9. previdna odstranitev modelčka,
10. spuščanje zgornje plošče na višino, pri kateri pravilno »porežemo« vzorec, 11. odstranitev odvečnega vzorca,
12. ustalitev normalne sile (na 0,1–0,2 N, pri večjih koncentracijah lahko tudi več), 13. izbira programa merjenja,
14. zagon meritve,
15. po končani meritvi odstranjevanje senzorskega sistema, zaprtje N2 in dvig glave reometra,
16. čiščenje senzorja, delovne površine in modelčka.
Metodologija raziskave
24
Glavni parametri za izvedbo reoloških meritev so zbrani v preglednici 3.4.
Preglednica 3.3: Parametri priprave vzorcev
Premer senzorja 25 mm
Temperatura meritev (T) 210 °C Čas taljenja materiala 5–6 min Vrednost normalne sile ob zagonu
meritev
0,1–0,2 N, pri večjih koncentracijah steklenih kroglic tudi več, 0,3–0,4 N
Čas ustalitve normalne sile Pri majhnih koncentracijah steklenih kroglic je čas ustalitve razmeroma majhen, približno 3 min, pri višjih koncentracijah (40–50 %) tudi do 15 min
Pretok dušika 0,75 m3/h
3.3.1 Oscilacijski amplitudni testi in frekvenčni testi
Model dveh plošč (slika 3.4) se uporablja za določevanje temeljnih reoloških parametrov.
Zgornja plošča s ploščino A se giblje zaradi sile F, pri čemer lahko merimo hitrost v. Spodnja plošča je stacionarna (v = 0). Med ploščama z medsebojno razdaljo h je preizkušanec, ki ga obremenjujemo s strigom.
Slika 3.4: Model dveh plošč
Pri tem predpostavimo, da veljajo naslednji pogoji:
v preizkušancu je adhezija na obe plošči, torej med meritvijo ne prihaja do zdrsa ob stenah;
med ploščama je razvit laminaren tok, ki si ga lahko predstavljamo v plasteh.
Natančne rezultate lahko dobimo le, če sta izpolnjena oba pogoja [18].
Metodologija raziskave
25 Slika 3.5: Gibanje plošč med oscilatornim testom
Oscilacijski amplitudni testi, pri katerih pri konstantni frekvenci in spreminjajoči se amplitudi strižne deformacije vzorce izpostavimo oscilatornim obremenitvam, se imenujejo amplitudni ali napetostni testi. Parametri, pri katerih so potekali amplitudni testi, so zbrani v preglednici 3.4.
Preglednica 3.4: Pogoji amplitudnih testov pri VK-polimerih z različno koncentracijo kroglic Masni delež steklenih kroglic [%] 0 5 10 20 30 40 50 ω [𝑟𝑎𝑑
𝑠 ] 1
γ [%] 0,001–100
Frekvenčni testi so oscilacijski testi, ki se izvajajo pri različnih frekvencah in konstantni amplitudi v območju linearnega viskoelastičnega odziva. Uporabljamo jih za analizo frekvenčno odvisnega vedenja materialov. Kratkoročno vedenje materiala dobimo z vnosom hitrih ponavljajočih se gibanj, torej pri aplikaciji visokih frekvenc, medtem ko dolgoročno vedenje materiala dobimo z vnosom počasnih ponavljajočih se gibanj, torej pri nizkih frekvencah. [18][18]. Parametri, pri katerih so potekali frekvenčni testi, so zbrani v preglednici 3.5.
Preglednica 3.5: Pogoji frekvenčnih testov pri VK-polimerih z različno koncentracijo steklenih kroglic
S pomočjo frekvenčnih meritev lahko določimo vrednosti frekvenc pri posamezni koncentraciji steklenih kroglic, pri katerih so vrednosti G' in G'' enake.
Metodologija raziskave
26
3.3.2 Tokovni testi
Tokovni testi predstavljajo destruktivne teste, ki se izvajajo pri rotacijskih pogojih povečevanja in zmanjševanja strižne hitrosti ali strižne napetosti. Tokovne krivulje so krivulje odvisnosti strižne napetosti in strižne hitrosti ter se določajo pri konstantni temperaturi. V preglednici 3.6 so navedeni pogoji, pri katerih so potekali tokovni testi. Pri vseh vzorcih so bili opravljeni histerezni testi z merjenjem strižne napetosti po trikotni metodi. Po tej metodi izvajamo meritve tako, da v prvem koraku povečujemo strižno hitrost (ali strižno napetost) od neke začetne vrednosti do končne vrednosti, nato pa v drugem koraku meritev v enakem časovnem intervalu zmanjšujemo strižno hitrost (ali strižno napetost) od končne vrednosti proti začetni vrednosti.
Preglednica 3.6: Pogoji tokovnih testov Masni delež steklenih
kroglic [%]
0 5 10 20 30 40 50
Čas 250-0,1 s logaritmično
0,1-250 s logaritmično
τ [Pa] 10-42000-10