Rheology of molten polymers

Summary

TheCross equation describes the flow of pseudoplastic liquids in terms of an upper and a lower Newtonian viscosity corresponding to infinite and zero shear,η∞ and η₀, and of a third material constantα related to the mechanism of rupture of linkages between particles in the intermediate, non-Newtonian flow regime, Calculation ofη∞ of bulk polymers is important, since it cannot be determined experimentally. The equation was applied to the melt flow data of two low density polyethylenes at three temperatures.

Using data in the non-Newtonian region covering 3 decades of shear rate to extrapolate to the zero-shear viscosity resulted in errors amounting to about onethird of the measuredη ₀ values. The extrapolated upper Newtonian viscosity was found to be independent of temperature within the precision of the data, indicating that it has a small activation energy.

Theη ₀ values were from 100 to 1,400 times larger than theη∞ values at the corresponding temperatures.

The values ofα were large compared to theα values found for colloidal dispersions and polymer solutions, but decreased with increasing temperature. This shows that shear is the main factor in reducing chain entanglements, but that the contribution of Brownian motion becomes greater at higher temperatures.

Zusammenfassung

Die Gleichung vonCross beschreibt das Fließverhalten von pseudoplastischen Flüssigkeiten durch drei Konstante: Die obereNewtonsche Viskositätη∞ (bei sehr hohen Schergeschwindigkeiten), die untereNewtonsche Viskositätη ₀ (bei Scherspannung Null), und eine Materialkonstanteα, die vom Brechen der Bindungen zwischen Partikeln im nicht-Newtonschen Fließbereich abhängt. Die Berechnung vonη∞ ist wichtig für unverdünnte Polymere, wo man sie nicht messen kann.

Die Gleichung wurde auf das Fließverhalten der Schmelzen von zwei handelsüblichen Hochdruckpolyäthylenen bei drei Temperaturen angewandt. Die Werte vonη ₀, durch Extrapolation von gemessenen scheinbaren Viskositäten im Schergeschwindigkeitsbereich von 10 bis 4000 sec⁻¹ errechnet, wichen bis 30% von den gemessenenη ₀-Werten ab. Die Aktivierungsenergie derη∞ war so klein, daß dieη∞-Werte bei den drei Temperaturen innerhalb der Genauigkeit der Extrapolation anscheinend gleich waren. Dieη ₀-Werte waren 100 bis 1400 mal größer als dieη∞-Werte.

Im Verhältnis zu kolloidalen Dispersionen und verdünnten Polymerlösungen war dasα der Schmelzen groß, nahm aber mit steigender Temperatur ab. Deshalb wird die Verhakung der Molekülketten hauptsächlich durch Scherbeanspruchung vermindert, aber der Beitrag derBrownschen Bewegung nimmt mit steigender Temperatur zu.