Rheology of polymers. Viscous properties of polypropylene melt

Summary

A simple capillary viscometer for studying polymer melts is described operating at constant pressures (up to 600 atm) and temperatures up to 350‡. With this apparatus measurements can be made over a range of rate gradients of five to seven decimal orders. The errors in viscosity determination do not exceed a few per cent.

The invariant (with respect to capillary dimensions) flow curves of polypropylene are given for rate gradients ranging from 10⁻² to 10³ sec⁻¹ and temperatures from 190 to 270‡C. On the basis of direct measurements and an extrapolational calculation the highest Newtonian. viscosities of polypropylene were determined at various temperature, making it possible to obtain the temperature invariant characteristic of the viscous properties of the polymer. The activation energy of viscous flow varies considerably depending on the shear stresses. dropping from 21 to 9.3 kcal per mole when the shear stress rises from 0 to 1 × 10⁶ dyne/cm².

The ratio of the diameter of the extrudate, issuing from the capillary to the capillary inner diameter is a single valued function of the shear stresses. Calculation of the normal stresses revealed them to be related by a power law to the shear rate, this dependence being invariant with respect to the temperature.

Although the normal stresses grow much faster with the shear rate than the tangential, they reach the latter in absolute value only at shear rates of about 10³ sec⁻¹. This is an indirect indication of the fact that high elasticity is relatively weakly expressed in the polypropylene melt. With this are also connected the low entrance losses determined at 190‡ by the method of two equal-diameter capillaries of different lengths. Measuring the viscosity of a melt at a temperature close the melting point is a sensitive method of determining the degradation of the polymer, which becomes perceptible when it is heated to temperatues above 270‡.

Observations of crystallization of the polymer in the melt stream have shown that this process begins at the flow axis in the non-stressed zone.

Zusammenfassung

Es wird ein einfaches Kapillar-Viskosimeter zur Untersuchung von Polymerschmelzen beschrieben, das in Bereichen mit konstantem Druck (bis 600 at) und bei Temperaturen bis 350‡ arbeitet. Messungen mit Hilfe dieses GerÄtes gestatten im Bereich der Geschwindigkeitsgradienten Änderungen um 5... 7 Zehnerpotenzen. Die Fehler bei der ViskositÄtsbestimmung betragen höchstens einige Prozente.

In dem Artikel werden die in bezug auf die Kapillar-abmessungen invarianten Flie\kurven des Polypropylens bei Gradientengeschwindigkeiten von 10⁻² bis 10³ sec⁻¹ und bei Temperaturen von 190 bis 270‡C angegeben. Durch direkte Messungen und Extrapolationsrechnung wurden die grö\ten Newtonschen ViskositÄten des Polypropylens bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt, wodurch eine in bezug auf die Temperatur invariante Charakteristik der ViskositÄts-eigenschaften dieses Polymers erhalten wurde. Die Aktivierungsenergie der zÄhflüssigen Strömung hÄngt erheblich von der Schubspannung ab und sinkt von 21 auf 9,3 kcal/Mol, wenn die Schubspannung von 0 auf 1,10⁶ Dyn/cm² zunimmt.

Das VerhÄltnis des aus der Kapillare ausströmenden Polymerstrahls zum Durchmesser des Kapillar-innenquerschnittes ist eine monotone Funktion der Schubspannung. Die Normalspannungen sind potenz-abhÄngig von der Deformationsgeschwindigkeit. Diese AbhÄngigkeit ist invariant in bezug auf die Temperatur.

Die Normalspannungen wachsen mit dem Geschwin-digkeitsgefÄlle wesentlich schneller als die Schubspannungen. Sie erreichen deren Absolutwert nur bei einem GeschwindigkeitsgefÄlle von der Grö\enordnung 10³ sec⁻¹. Dies ist ein indirekter Hinweis darauf, da\ in der Polypropylenschmelze die ElastizitÄt verhÄltnis-mÄ\ig schwach ausgeprÄgt ist. Hiermit sind geringe Eingangsverluste verbunden, die bei 190‡ unter Verwendung von zwei Kapillaren gleichen Durchmessers aber unterschiedlicher LÄngen bestimmt werden.

Das Me\verfahren zur Bestimmung der Schmelz-viskositÄt bei Temperaturen, die nahe dem Schmelzpunkt liegen, ist eine empfindliche Methode zur Bestimmung des Polymerabbaus, die bei ErwÄrmen des Polymers auf Temperaturen über 270‡ bemerkbar wird.

Beobachtungen der Polymerkristallisation im Schmelzestrahl haben gezeigt, da\ dieser Vorgang an der Strömungsachse in der spannungsfreien Zone beginnt.