Transcript (Fluids) Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group

MTT 651: Polymer Rheology
Prof. Dr. Narongrit Sombatsompop
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
King Mongkut’s University of Technology Thonburi
91 Pracha U-tit Rd., Bangmod, Thuug-khru, Bangkok 10140, THAILAND
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Definitions
Introduction to Fluid and Polymer Melt
•
•
•
•
Fluids
Rheology
Viscosity
Laminar and turbulent
flows
• Steady and non-steady
flows
• Plug flow
• Shear flow (drag and
pressure flows)
• Shear stress and shear rate
• Elongational flow
• Visco-elasticity
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
2
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
การไหลทีเ่ กิดจากการเคลือ่ นทีข่ องแผ่ นประกบค่ ดู ้ วยความเร็ วทีแ่ ตกต่ างกัน
(Drag Flow)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
3
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
การไหลทีเ่ กิดจากความแตกต่ างของความดันภายในท่ อ (Pressure Flow)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
4
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Rheological behaviour of materials
• Inviscid fluids (viscosity=0)
• Non-linear elastic materials
• Linear viscous fluid (Newtonian,
(rubber)
water)
• Linear elastic materials
• Non-linear viscous fluids (Newtonian,
(spring)
suspension)
•
Non-deformable
solid
• Linear viscoelastic materials (non(viscosity = infinity)
Newtonian/ small deformation)
(Solid)
• Non-linear viscoelastic materials (nonNewtonian/ large deformation)
(Fluids)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
5
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Time dependent fluids
• Thixotropic fluids - Shear stress decreases with
time for a given shear rate. (yogurt, salad
dressing)
• Rheopectic fluids - Shear stress increases with
time for a given shear rate. (suspended fluids,
mud)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
6
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
การเปลีย่ นแปลงความเค้ นเฉือนตามเวลาของของไหล thixotropic
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
7
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
ความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ าความเค้ นเฉื อนและอัตราเค้ นเฉื อน
ของของไหล thixotropic
ความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ าความเค้ นเฉื อนและอัตราเค้ นเฉื อน
ของของไหล rheopectic
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
8
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Time independent fluids
• Newtonian fluids: Viscosity is independent of
shear rate. The ratio of shear stress and shear
rate is constant.
• Non-Newtonian fluids: Viscosity is dependent
on shear rate.
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
9
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Non-Newtonian fluids
• Pseudoplastics fluids (shear thinning fluids) such as
polymer melts, rubber liquids, adhesives, biological
fluids and grease.
• Dilatant fluids (shear thickening fluids) such as PVC
pastes and flour in water.
• Bingham fluids such as paints, clays, pea slurry,
magarine, soaps, paper pulp, sewage sludge.
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
10
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
ความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ าความเค้ นเฉื อนและอัตราเค้ นเฉื อนของ
ของไหลในกลุ่ม Newtonian
ความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ าความเค้ นเฉื อนและอัตราเค้ นเฉื อนของของ
ไหลในกลุ่ม non-Newtonian
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
11
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Power law index and Power law consistency
τ  Kγ
n
log   log K  n log 
The n value indicates the type of fluids as follows:
Newtonian fluids n = 1
Non-Newtonian fluids n  1

Pseudoplastic fluids: n < 1

Dilatant fluids: n > 1
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
12
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
ความสัมพันธ์ ระหว่ าง Log (shear stress) กับ Log (shear rate)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
13
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
ความสัมพันธ์ ระหว่ าง shear viscosity กับ shear rate
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
14
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Examples of materials viscosities (Nsm-2)
• 10 poise
•
•
•
•
•
•
•
Air (gaseous)
Water
Oil
Glycerine
Syrup
Polymer melts
Glass
=
1 Nsm-2
=
=
=
=
=
=
=
10-5 (0.01 poise)
10-3 (10 poise)
10-1
1
102
102 - 106
1021
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
15
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Weissenberg effects for
Newtonian (a) and Viscoelastic fluids (b)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
16
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
พฤติกรรมการบวมตัวของพอลิเมอร์ หลอมเหลวขณะอัดรีด (die swell)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
17
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Flow of polymer melts in a rheometer
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
18
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Recoiling behaviour of viscoelastic fluids
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
19
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Dead flows of polymer melts
LDPE
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
LLDPE
20
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Elongation properties of melts
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
21
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Measurement of Rheological Properties
•
•
•
•
•
Ostwald Glass Viscometer
Melt Flow Rate (MFR)
Falling Ball Viscometer
Rolling Ball
Capillary Rheometer
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
22
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Ostwald Glass Viscometer
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
23
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Melt Flow Rate (MFR)
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
24
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Falling Ball Viscometer
 
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
2b   f gR2
9L
t
 
25
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Rolling Ball
 
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group

2



gR
sin 
b
f
V 
26
ความรู้ ทั่วไปเกี่ยวกับของไหลและพอลิเมอร์ หลอมเหลว
Introduction to Fluid and Polymer Melt
Capillary Rheometer
Polymer PROcessing and Flow (P-PROF) Group
27
Summary of wall shear stress and wall shear rate
For circular die
RP
2L
w 
w
4Q

R 3
and
w
 3n  1 4Q


 4n  R 3
For slit die
w
6Q
w 
WH 2
and
HP

2L
 2n  1 6Q

 3n  WH 2
w  
where H and W are the die height (m) and the die width (m) respectively.
28