Selectividad aumentada mediante la medición continua de la viscosidad de alargamiento

La supervisión online de las propiedades reológicas en las instalaciones piloto y de polimerización es indispensable para el control del proceso de forma rápida y efectiva. Además de la producción de polímeros pura, la composición de plásticos adaptados de forma específica a determinadas propiedades de materiales está cobrando cada vez más importancia.
Hasta ahora, la tarea más frecuente de la reometría capilar online es la determinación continua del índice de fluidez en masa de la masa fundida MFR (Melt Flow Rate) o del índice de fluidez en volumen de la masa fundida MFR (Melt Flow Rate) (valor de MVR/MVR) para ajustar lotes de producción de forma más rápida de acuerdo con la especificación correspondiente. El MFR caracteriza la procesabilidad de materiales poliméricos solo de forma condicionada, de manera que parcialmente se plantea la exigencia de que debe asegurarse la procesabilidad mediante la supervisión de otros coeficientes reológicos, como p. ej. la viscosidad de cizallamiento o la viscosidad de alargamiento. A continuación se representa la medición de la viscosidad de cizallamiento y la viscosidad de alargamiento mediante un reómetro online.
 

Configuración para la medición de la viscosidad de alargamiento con un reómetro online RTS

El RTS es un reómetro capilar online con dos capilares midiendo al mismo tiempo. Esta disposición es similar a la disposición de medición del reómetro capilar de pistón doble para la medición en el laboratorio, que se representa en la figura 1.
La medición con el reómetro capilar se realiza con un capilar corto y un capilar largo. La pérdida de presión de cada capilar se aplica a lo largo de la longitud de la boquilla y se extrapola a cero (corrección de Bagley [1] para la determinación de la pérdida de presión de entrada), y se corrige en cuanto a la forma del perfil de flujo mediante la corrección de Rabinowitsch-Weissenberg [2]. Mediante el modelo según Cogswell [3] se calcula la viscosidad de alargamiento a partir de la pérdida de presión de entrada y la tensión de cizallamiento y el coeficiente de cizallamiento aparentes del capilar largo.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 1: Twin Die Kapillarrheometer mit Bagley Korrektur

La figura 2 muestra la configuración principal en el reómetro capilar online RTS. La configuración se realiza de forma similar al reómetro capilar en el laboratorio mediante la medición con un capilar largo y un capilar corto (boquilla cero). La presión se determina en el RTS respectivamente antes y después del capilar. En lugar de los pistones en el reómetro capilar de alta presión, se prepara el caudal volumétrico del material que debe comprobarse mediante dos bombas de hilatura.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 2: RTS mit langer und kurzer Kapillare und Bagley Korrektur

La gran ventaja de esta disposición con capilar largo y boquilla cero en el RTS es que los orificios existentes en los equipos disponibles se pueden utilizar para reequipar o adaptar este método de ensayo. Con esta disposición descrita en el RTS, que también es posible en el MBR-TD, se ofrece la posibilidad única, además de la medición de la viscosidad de cizallamiento y la viscosidad de alargamiento, de realizar de forma alterna la medición del índice de fusión (MFR/MVR).
 

Comparación de datos de medición online para mediciones en el laboratorio

Para la comprobación de la disposición se utilizan mediciones comparativas con el reómetro capilar RG75 (equipo de laboratorio) con la configuración de capilares de 40/2 y 0/2 mm de longitud/diámetro, así como el RTS (equipo online) con la configuración de capilares de 60/2 y 0/2 mm. Los materiales comprobados son dos LDPE. La comprobación se realiza en un rango de coeficientes de cizallamiento medio de aprox. 20-1000 1/s. La viscosidad se corrige respectivamente mediante la corrección de Bagley (pérdida de presión de entrada) y de Rabinowitsch-Weissenberg. A partir de la pérdida de presión de entrada, que se determina a partir de la corrección de Bagley, y de los datos reológicos aparentes se puede calcular la viscosidad de alargamiento y la velocidad de alargamiento mediante el modelo simple según Cogswell. La función de viscosidad de alargamiento determinada de este modo proporciona una descripción simple de los procesos viscoelásticos en pasos de sección transversal. Los datos de la viscosidad de cizallamiento y de la viscosidad de alargamiento se pueden aplicar respectivamente en un diagrama.

A continuación se compara los datos para 2 LDPE. Las curvas para 2 LDPE en la figura 4 medidas a 190 °C muestran la curva característica de la solidificación de alargamiento para la viscosidad de alargamiento, debido a las ramificaciones de polímeros en el material de ensayo. Ambos materiales presentan el mismo MFR de 4 g/10 min, por lo que no se pueden diferenciar mediante el método de MFR. En la curva de la función de viscosidad se muestra una curva similar con diferencias solo relativamente reducidas. En cambio, la viscosidad de alargamiento se diferencia claramente. La viscosidad de alargamiento en el material 2 muestra una curva mucho más flexible de la solidificación de alargamiento con valores también más altos.

[Translate to Spanisch:] Abbildung 3: Vergleich von Scher- und Dehnviskosität zwischen Online- und Labor-Messung zweier LDPE

El análisis de los números proporciona ahora una imagen aún más clara que el gráfico. Mientras que no hay selectividad para el índice de fusión, la viscosidad de alargamiento muestra una diferencia muy clara superior al 60 % como resultado de las distintas ramificaciones, mientras que la viscosidad ofrece una evaluación en orden inverso. La viscosidad se correlaciona con el peso molecular medio que, no obstante, aquí solo se diferencia ligeramente.

Material

LDPE1

LDPE2

Índice de fusión [g/10 min] 4 4
Diferencia [%] - 0
Viscosidad de cizallamiento [Pas] at ŷ=1/s 5611 5006
Diferencia [%] - -10,8
Viscosidad de alargamiento máxima [Pas] 18600 30500
Diferencia [%] - +64 %

Tabla 1: Comparación de la selectividad del índice de fusión, la viscosidad y la viscosidad de alargamiento para 2 LDPE

Este ejemplo muestra que mediante la determinación online de la viscosidad de alargamiento es posible una diferenciación de material clara con una distribución del peso molecular o una ramificación diferentes, que no pueden detectarse mediante métodos habituales en el mercado, como por ejemplo, la determinación del índice de fusión.

Resumen

La determinación de la función de viscosidad de alargamiento con el reómetro online RTS a través de la boquilla cero representa una opción muy efectiva para ampliar el rango de medición y la aplicación del reómetro online. Un ensayo comparativo con un reómetro capilar de alta presión muestra una coincidencia muy buena entre los datos determinados en el laboratorio y los datos determinados online. La ampliación en cuanto a la determinación de la función de viscosidad de alargamiento proporciona una selectividad alta para una estructura del material diferente, como la ramificación y la anchura de distribución de la masa molecular, que no puede alcanzarse con una disposición de medición convencional. Este complemento proporciona una determinación de MVR/MFR, una viscosidad corregida aparente y viscosidad de alargamiento en operación alterna que solo se puede llevar a cabo en los reómetros online de GÖTTFERT.

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