Polymer melt rheology and the rheotens test

Abstract

Das Rheotensexperiment ist ein Schmelzespinnexperiment. Die Kunststoffschmelze wird in einer Kapillare vorgeschert und danach unter konstanter Kraft bis zum Abriss des Fadens verstreckt. Die lokale Geschwindigkeitsverteilung entlang des Strangs wird mit einem Laser-Doppler Velocimeter (LDA) bestimmt. Es ergibt sich ein technisches Dehnungsdiagramm, das für Verarbeitungsprozesse wie Blasformen, Folienblasen und Spinnen von Bedeutung ist. Schmelzefestigkeit und maximale Dehnbarkeit hängen von Material und Verarbeitungsbedingungen ab. Rheotens Masterkurven erlauben die Trennung des Materialverhaltens des Polymers von der Prozeßabhängigkeit des Experiments, womit die Beschreibung des Dehnverhaltens unter konstanter Kraft vereinfacht wird. Aus Rheotenskurven kann die scheinbare Dehnviskosität berechnet werden, die stark von der rheologischen Vorgeschichte in der Extrusionsdüse abhängt. Die Viskosität verschiebt sich mit steigendem Durchsatz zu kleineren Viskositäten und größeren Dehnraten. Sehr große Vorscherung ergibt scheinbare Dehnviskositäten im Bereich der dreifachen Scherviskosität. Geringe Vorscherung führt dagegen zu einer scheinbaren Dehnviskosität in der Größenordnung der stationären Dehnviskosität. Die Ergebnisse von Rheotensversuchen werden zur Validierung von Simulationsrechnungen mit einer rheologischen Zustandsgleichung vom Integraltyp nach Wagner eingesetzt. Hauptschwierigkeit ist die korrekte Beschreibung des Strangschwellens auf Grund der Viskoelastizität. Für folgende Materialien werden Rheotens Experimente, Rheotens Masterkurven und daraus abgeleitete scheinbare Dehnviskositäten angegeben: LDPE, LLDPE, HDPE, PP, PS, PC. Das Dehnverhalten der Polymerschmelzen wird unter Prozeßbedingungen beschrieben, die typisch für industrielle Anwendungen sind.

The Rheotens experiment is a fibre spinning experiment. A polymer melt presheared in a capillary die is stretched under the action of a constant drawdown force until rupture of the filament. The local velocity distribution along the fibre is measured with a Laser-Doppler velocimeter (LDA). The experiment results in an extension diagram which is relevant for many polymer processes like blow moulding, film blowing, and fibre spinning. Melt strength and drawability depend on material properties and processing conditions. The existence of Rheotens mastercurves allows to separate the polymer melt properties from the processing conditions and thus simplifies the description of elongational behaviour under constant force deformation. The Rheotens mastercurve reflects structural differences of polymer melts. The apparent elongational viscosity can be calculated from Rheotens curves and strongly depends on the rheological prehistory in the extrusion die. The viscosity curve is shifted to lower viscosities and higher extension rates with increasing extrusion velocity. A large amount of preshear lowers the apparent elongational viscosity to the level of three times the shear viscosity. Low preshear results in an apparent elongational viscosity in the same order of magnitude as the steady-state elongational viscosity. Results of Rheotens experiments including the LDA spinline velocity measurements are used to benchmark the results of numerical simulation with the intgral Wagner constitutive equation. The prediction of the correct ammount of extrudate swell is a critical task due to the viscoelastic flow behaviour. Rheotens experiments, Rheotens mastercurves, rupture stresses, and the apparent elongational viscosities calculated are reported for LDPE, LLDPE, HDPE, PP, PS, and PC melts. The elongational behaviour of the melts is described under conditions which are relevant for typical industrial processing applications.