The effect of the mixing methods on viscous properties of polyethylene melts filled with fibers

Summary

The viscous properties of polyethylene melts filled with glass fibers (GF) and carbon fibers (CF) by three different methods were studied. The fiber length and the distribution of the fiber lengths in the samples were examined and were correlated with the viscous properties. The dry blend samples prepared by mixing polyethylene powder and disintegrated fibers behaved somewhat irregular in rheological respect. This was considered to be attributed to the poor dispersion of the fibers in the sample. The samples prepared by a screw extruder (SC) and by an elastic melt extruder (WEX) showed normal rheological behavior. The average aspect ratio of the fibers in the SC-sample is larger for CF than for GF, owing to the higher rigidity of CF. Corresponding to this, the viscosities of CF filled samples were higher than those of GF filled samples.

The overall shape of the distribution of the fiber lengths in the WEX-sample was rather broad compared to that in the SC-sample, and also the average aspect ratio of the fibers in the WEX-sample was by far larger than that in the SC-sample. Corresponding to the average aspect ratio and/or the distribution of the fiber lengths, the relative viscosityη _r of the WEX-sample is much larger than that of the SC-samples. Results obtained by a parallel plate plastometer supplemented the flow curves in the lower region of shear rate obtained by a cone-plate viscometer. Samples with high fiber content showed a sharp increase of viscosity with decreasing shear rate, especially for the CF filled sample.

Zusammenfassung

Es werden die viskosen Eigenschaften von Polyäthylenschmelzen, die nach drei verschiedenen Methoden mit Glas(GF)- oder Kohlenstoffasern(CF) gefüllt worden sind, untersucht. Faserlänge und Faserlängenverteilung werden bestimmt und zu den viskosen Eigenschaften in Beziehung gesetzt. Die durch Mischen von Polyäthylenpulver und zerkleinerten Fasern auf trockenem Wege hergestellten Mischungen zeigen ein etwas unregelmäßiges rheologisches Verhalten. Dies wird auf die ungleichmäßige Verteilung der Fasern in den Proben zurückgeführt. Die mit Hilfe eines Schneckenextruders (SC) sowie eines Extruders vom Maxwell-Typ (WEX) hergestellten Proben zeigen dagegen ein normales rheologisches Verhalten. Das mittlere Längen-Durchmesser-Verhältnis der Fasern ist in den SC-Proben für die CF größer as für die GF, was durch die größere Steifigkeit der CF erklärt wird. Entsprechend sind die Viskositäten der CF-gefüllten Proben höher als die der GF-gefüllten.

Die Faserlängen-Verteilung ist in den WEX-Proben breiter als in den SC-Proben, und ebenso ist das mittlere Längen-Durchmesser-Verhältnis in den WEX-Proben erheblich größer als in den SC-Proben. Entsprechend den größeren Werten beim Längen-Durchmesser-Verhältnis und/oder der breiteren Faserlängen-Verteilung fällt die relative Viskosität bei den WEX-Proben erheblich größer aus als bei den SC-Proben. Die mit einem Parallel-Platten-Plastometer erhaltenen Ergebnisse verlängern die mit einem Kegel-Platte-Viskosimeter gemessenen Fließkurven zu niederen Werten der Schergeschwindigkeit hin. Proben mit hohem Fasergehalt zeigen mit abnehmender Schergeschwindigkeit einen steilen Anstieg der Viskosität, ganz besonders gilt dies für die CF-gefüllten Proben.