EBB 220/3 POLYMER RHEOLOGY
Download
Report
Transcript EBB 220/3 POLYMER RHEOLOGY
EBB 220/3
POLYMER RHEOLOGY
DR AZURA A.RASHID
Room 2.19
School of Materials And Mineral Resources Engineering,
Universiti Sains Malaysia, 14300 Nibong Tebal, P. Pinang
Malaysia
Pengenalan
Sebarang proses pembentukan samada
polimer atau metal melibatkan deformasi dan
aliran.
Aliran yang wujud sangat mempengaruhi
keadaan semulajadi produk yang dihasilkan.
Untuk memahami keadaan yang berlaku adalah
penting untuk mengetahui bagaimana bahan
mengalir.
Leburan (fluid) boleh digunakan untuk
menerangkan
bagaimana
bahan
yang
mengalami deformasi secara berterusan
apabila dikenakan tekanan.
Reologi ialah kajian deformasi dan aliran
leburan polimer.
Bahan yang mengalami deformasi di bawah tindakan
tekanan akan menunjukkan takat alah dan
mengalami tindak balas mekanikal
Dari segi molekul deformasi akan mengganggu
konformasi taburan molekul-molekul polimer.
Apabila
daya tegasan dikenakan samaada
tegasan unipaksi atau tegasan ricih rantaian
molekul bergerak secara relatif dan seterusnya
memperoleh konformasi yang baru.
Pergerakan
Brownian pula dapat mewujudkan
semula keadaan keseimbangan (keadaan asal di
mana daya tidak hadir),
Maka purata deformasi yang dihasilkan adalah
bergantung pada kesan persaingan antara dua
kesan di atas.
Aliran
Aliran ialah suatu deformasi yang berterusan di bawah
pengaruh daya yang malar
suatu partikel bahan tidak akan kembali kepada
kedudukan asalnya setelah daya yang dikenakan
dilepaskan.
Semua jasad di alam ini akan mengalir sekiranya diberi
tempoh masa dan suhu yang mencukupi tidak kira
berapa lama rendahnva nilai tegasan yang dikenakan.
Kebolehaliran suatu leburan adalah bergantung pada
mobiliti rantaian molekul dan kekusutan rantai yang
memegang molekul bersama.
Mobiliti yang rendah dan darjah kekusutan yang tinggi
akan menjejaskan kebolehaliran & kebolehprosesan
bahan polimer.
Contoh aliran
Kepentingan reologi
Sifat mekanikal yang ditunjukkan oleh suatu barangan
polimer adalah faktor yang paling dipentingkan oleh
pengilang dan pengguna.
Dalam keadaan sebenar sifat mekanik yang optimum
menjadi tidak penting lagi sekiranya produk tersebut tidak
dapat diproseskan secara cepat, mudah dan murah.
Aliran yang terlibat ialah kajian reologi yang turut
mempengaruhi:
jenis dan darjah orientasi
serta sifat aliran dalam pemprosesan sebenar
semakin dipentingkan.
Kajian sifat aliran polimer mempunyai
kepentingan kepentingan seperti berikut:
a.
Dapat mengetahui sifat dan aliran
semasa aliran serta faktor-faktor yang
mempengaruhi aliran polimer.
b.
Meramalkan keadaan pemprosesan
sebenar yang amat kompleks melalui
komponen yang lebih mudah dan
menjangkakan sifat-sifat akhir polimer.
c.
Menghubungkan secara kuantitatif atau
kualitatif parameter-parameter tertentu
seperti output, penggunaan sifat bahan.
d.
Pemilihan polimer yang paling sesuai di bawah
keadaan pemprosesan dan servis tertentu
–
untuk menghasilkan produk dengan sifat
pemprosesan yang optimum.
penting dalam pemprosesan sebenar untuk
menghasilkan output secara maksimum dengan
menggunakan input minimum
e.
Dalam sesetengah kes, parameter-parameter
seperti:
a.
b.
c.
d.
struktur molekul,
morfologi,
leburan polimer,
adunan dan polimer terubah suai
dapat dikaji dengan mengaitkan sifat reologi
dengan struktur bahan.
Aliran Newtonion
Merupakan jenis aliran yang stabil, mudah dan
unggul di mana aliran yang berada di antara
dua plat selari dengan luas permukaan, A
dipisahkan sejauh h.
Apabila daya ricih F dikenaKan pada plat atas
ia bergerak dengan seragam, h dan daya F yang
dikenakan adalah berkadar terus dengan nilai
kelikatan aliran.
Aspek kinematik yang penting untuk aliran ricih stabil
setiap elemen bahan akan mengalami deformasi
yang sama dan malar.
Shear stress,
Shear rate,
du
dh
Menurut aliran Newtonian, tegasan ricih berkadar
langsung dengan kadar ricih.
Shear stress , h
F
A
du
dh
h
Di mana h adalah pemalar kelikatan suatu nilai
konstan yang tidak bergantung pada nilai kadar ricih
yang dikenakan.
Apabila hubungan melawan adalah suatu
lengkungan dan bukannya suatu garis lurus
maka dua jenis kelikatan boleh didapati pada
sebarang nilai kadar ricih :
1.
Kelikatan ketara
2.
Kelikatan malar.
1.
Kelikatan ketara kecerunan yang diambil
untuk garis yang menyambungkan nilai
tegasan ricih pada kadar ricih tertentu
dengan titik asalan,
2.
Kelikatan malar kecerunan untuk garis
pada nilai kadar ricih tertentu sahaja untuk
bahan yang bersifat bukan Newtonian
Aliran bukan newtonian
Kebanyakan sistem polimer tidak
mematuhi hukum Newtonian.
Bahan bukan Newtonian boleh
dikelaskan kepada tiga bahagian iaitu:
1.
aliran tidak bersandar masa,
1.
aliran bersandar masa dan
1.
aliran viskoelastik.
Kelakuan mekanik cecair
•
Mempamerkan kelakuan:
1. pada kadar terikan rendah boleh diwakili
oleh hukum Newton
2. bersandar sepenuhnya pada masa.
3. tegasan berkadar dengan kadar terikan dan
4. tegasan tidak bersandar pada terikan.
de
h
dt
h= kelikatan
de/dt = kadar terikan
Aliran tidak bersandar masa
Kadar ricih untuk aliran tidak bersandar masa
merupakan fungsi tegasan ricih yang boleh
diwakili secara matematik:
f ( )
Dalam pengkajian reologi terdapat empat jenis
aliran tidak bersandar masa iaitu:
1.
Aliran jasad Bingham,
2.
Aliran pseudoplastik,
3.
Aliran Newtonian
4.
Aliran dilatan.
Hubungan untuk aliran tidak
bersandar masa
Aliran jasad Bingham
Jasad Bingham adalah pepejal elastik iaitu bahan
unggul yang struktur alamnya akan runtuh apabila
tegasan yang dikenakan melebihi tegasan alah, y,
Tegasan ricih jasad Bingham adalah berkadar langsung
dengan kadar ricih dan diberi oleh formula:
h y
di mana h dikenali sebagai kelikatan plastik yang
mencapai nilai infiniti apabila nilai kadar ricih
menghampiri nilai sifar ( 0) dan mencapai nilai h
apabila nilai kadar ricih menghampiri nilai infiniti ( tak
terbatas).
Di antara bahan yang boleh diwakili oleh model
Bingham termasuklah emulsi dan ampaian
berkepekatan tinggi seperti cat, dakwat cetakan, sluri
tanah liat dan emulsi plastik.
Aliran Pseudoplastik
Kelikatan aliran pseudoplastik berkurang dengan
peningkatan kadar ricih, iaitu menunjukkan sifat penipisan
ricihan (shear thinning).
Di dalam pemprosesan sebenar melibatkan julat kadar ricih
yang tinggi tiada sebarang masalah kebolehaliran yang
akan dihadapi untuk bahan pseudoplastik.
Pada keadaan rehat molekul mempunyai kekusutan yang
tinggi dan diorientasikan secara rawak.
Di bawah tindakan daya ricih penyahkusutan rantaian
molekul berlaku dan orientasi molekul meningkat walaupun
dicegah oleh pergerakan Brownian yang akan mewujudkan
semula keadaan keseimbangan iaitu keadaan asal di mana
daya tidak hadir.
Pada nilai kadar ricih yang sangat tinggi, sifat menghampiri
Newtonian diperhatikan.
Aliran Newtonian & Pseudoplastik
Aliran Dilatan
Nilai viskositi aliran dilatan meningkat dengan
peningkatan kadar ricih
ini membolehkan pemprosesan pada kadar ricih
yang tinggi kerana kebolehaliran polimer adalah
rendah.
Sifat dilatan biasanya ditunjukkan oleh ampaian
berkepekatan tinggi PVC dan bahan dengan
bentuk partikel-partikel yang tidak seragam
yang susah dimampatkan di bawah kadar ricih yang
tinggi.
Sifat dilatan jarang diperhatikan dalam leburan
polimer kecuali di bawah keadaan khas di mana
penghabluran leburan berlaku semasa aliran.
Aliran bersandar masa
Sifat aliran bersandar masa
adalah bergantung pada:
jenis aliran ricih,
2. sejarah aliran dan
3. juga masa pengacuanan.
1.
Jenis aliran ini menunjukkan
keadaan berbalik.
Aliran viskoelastik
Jenis aliran ini ditunjukkan oleh bahan
yang mempamerkan sifat viskos yang
dominan dan pemulihan elastik selepas
canggaan.
Aliran viskoelastik mempunyai sifat
perantaraan antara pepejal dan cecair.
** Rujuk kelakuan viskoelastik (likat-kenyal)
Kelakuan likat kenyal
polimer diistilahkan likatkenyal:
•
•
•
kerana
menunjukkan
kedua-dua
jenis
kelakuan likat dan kenyal.
Kelakuan menunjukkan terikan kenyal yang
cepat dan diikuti dengan kelakuan cecair
likat terikan bergantung dengan masa.
Kesan suhu ke atas kelikatan
Pemahaman bahawa suhu mempengaruhi
kelikatan lebur adalah amat penting:
di dalam pemprosesan polimer
Untuk digunakan bagi menjangkakan
ketahanan terma suatu bahan.
Variasi yang besar di dalam kelikatan dengan
julat suhu vang dipastikan dapat mewakili
bahan dan keperluan tenaga pengaktifan yang
besar.
Kebergantungan suhu kepada kelikatan
leburan polimer lebih tinggi pada suhu yang
lebih tinggi daripada suhu leburan kacanya Tg
atau titik lebur Tmuntuk polimer hablur.
Pendekatan persamaan Andrade atau persamaan
Arrhenius dapat menghubungkan kepada tenaga
pengaktifan semasa pergerakan rantai sebagai
berikut
hA
Ea
RT
Di mana h= kelikatan leburan polimer
AEa = tenaga pengaktifan
R = pemalar universal gas
T = suhu (°K)
A = pemalar Arrhenius
Dengan mengambil logaritma plot daripada log hmelawan
log (1/T) akan memberikan satu garis lurus, yang mana
kecerunan adalah setara tenaga pengaktifan menurut
persamaan berikut:
E a 1
Log h
RT T
Jika kelikatan pada pelbagai suhu ditentukan pada tegasan
ricih malar pada dasarnya malar dan tidak bergantung
kepada tegasan ricih, di mana ia ditentukan.
Jika kelikatan adalah pada suhu malar dengan pelbagai
kadar ricih diukur tenaga pengaktifan bergantung kepada
kadar ricih,
contohnya tenaga pengaktifan berkurang apabila kadar
ricih meningkat.
Walau bagaimanapun, untuk aliran di mana menurut
persamaan Arrhenius tenaga pengaktifan adalah hampir
tidak bergantung kepada suhu.
Alat untuk mengukur kelikatan
Kelikatan biasanya diukur menggunakan
reometer rerambut
Ia berfungsi pada keadaan beban, tekanan malar
atau kadar isipadu tetap
Dalam keadaan tegasan ricih yang malar
pengukuran kadar aliran (flow rate) diambil
berdasarkan kelajuan piston.
Tekanan pada permukaan keluar dai diukur
menggunakan transducer tekanan.
Alat untuk mengukur kelikatan
Contoh aliran
Fenomena aliran: Rod climbing &
extrudate swell
Contoh soalan peperiksaan
Apakah
kepentingan
pengetahuan
reologi dalam pemprosesan polimer.
Bincangkan kelakuan bukan –Newtonian
bahan polimer.
Apakah
kesan
kelakuan
aliran
pseudoplastik terhadap pemprosesan
polimer?