Improved measurement and analysis techniques for melt extensional rheometry

Research Paper (undergraduate) , 2006 , 62 Pages , Grade: 1,8

Materials Science

Characterising the deformation of a polymer melt is an important task to model its processing behaviour. Knowing only shear flow properties is not sufficient to explain processing behaviour of polymers in many processes such as blown film extrusion, thermoforming, fibre spinning or blow moulding that involve stretching. As Meissner (1979) realised on different LDPE resins using only shear data can not always sufficiently explain the deformation behaviour and therefore the processing behaviour of polymers. Since the 1980s the extensional or elongational viscosity has been recognised as a very important property for processes like blown film extrusion, thermoforming or fibre spinning (Baird 1999, Wagner et al. 2002, Bhattacharya 2004). Obtained results show that the elongational viscosity is also a very sensitive indicator for long-chain branching. Measuring the extensional viscosity means getting a value for the materials resistance to stretching flow or elongational deformation. Since the first theoretical works have been made on this topic by Trouton in 1906, different measuring methods have been developed. Apart from simple methods which are not well defined and perform only indirect measurements (like the melt strength test or capillary rheometry), some more complex and precise methods have been established. The widely accepted and commercial available and therefore the most important ones are the Munstedt-type and the Meissner-type, both introduced in the 1970’s. The Munstedt-type rheometer operates via translating clamps suspended in an oil bath (Munstedt 1979) and the Meissner-type uses counter rotating belts (Meissner 1981). Both have been commercialised by Rheometrics, the Munstedt-type as the Rheometrics Extensional Rheometer (RER) in 1981 and a modified Meissner-type as the Rheometrics Melt Extensional Rheometer (RME) in 1994. The RME technique was used for various experiments such as Meissner et al. (1981, 1982), Meissner (1985), Meissner and Hostettler (1994), Levitt and Macosko (1997), Wagner et al. (1998, 2000, 2002), Schulze at al. (2001).
Nevertheless there are different problems occurring with the RME device discussed in various papers e.g. by Meissner (1994), Schweizer (2000), Schulze at al. (2001) and Barroso et al. (2002). [...]

Inhaltsverzeichnis

• Abstract
• Nomenclature
• 1 Introduction
  • 1.1 Background
  • 1.2 Objectives
• 2 Materials and equipment
  • 2.1 Materials
    • 2.1.1 Polystyrene
    • 2.1.2 Polypropylene
    • 2.1.3 PPNC
  • 2.2 Equipment
    • 2.2.1 ARES rotational rheometer
    • 2.2.2 CEASTM0du1ar
    • 2.2.3 RME extensional rheometer
    • 2.2.4 calorimcter
• 3 Experiments
  • 3.1 Introduction to rheology
  • 3.2 Shear rheology
    • 3.2.1 Sample preparation
    • 3.2.2 Steady shear measurement
    • 3.2.3 Dynamic measurement
  • 3.3 Melt Density
  • 3.4 Extensional rheology
    • 3.4.1 Sample preparation
    • 3.4.2 Measurement
    • 3.4.3 Visual analysis
  • 3.5 DSC
• 4 Results & discussion
  • 4.1 shear testing
  • 4.2 DSC
  • 4.3 Extensional testing
    • 4.2.1 Error analysis
    • 4.2.2 Error calculationfor video
    • 4.2.3 Comparison of PP and PPNC
• 5 Conclusions
• References
• Appendix

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der Mess- und Analysemethoden für die Schmelze-Extensionalrheometrie. Ziel ist es, die Faktoren zu identifizieren, die die Messungen der Extensionalviskosität beeinflussen und Techniken zu entwickeln, die die Genauigkeit dieser Messungen verbessern. Die Arbeit basiert auf einer Literaturrecherche und einer Reihe von Experimenten mit verschiedenen Materialien, darunter Polystyrol, Polypropylen und Polypropylen-Nanocomposites (PPNC).

• Einflussfaktoren auf die Extensionalviskosität
• Fehlerquellen bei der Extensionalrheometrie
• Verbesserung der Messgenauigkeit durch optimierte Messmethoden und -techniken
• Vergleich der Extensionalviskosität verschiedener Materialien
• Anwendung der Ergebnisse auf die Modellierung des Verarbeitungsverhaltens von Polymeren

Zusammenfassung der Kapitel

Das erste Kapitel liefert eine Einführung in die Thematik der Extensionalrheometrie und erläutert die Bedeutung der Extensionalviskosität für die Modellierung des Verarbeitungsverhaltens von Polymeren. Es werden die verschiedenen Messmethoden vorgestellt und die Vor- und Nachteile der verschiedenen Gerätetypen diskutiert.

Im zweiten Kapitel werden die verwendeten Materialien und Geräte beschrieben. Die Arbeit konzentriert sich auf Polystyrol, Polypropylen und Polypropylen-Nanocomposites (PPNC) als Modellmaterialien. Die verwendeten Geräte umfassen einen Rotationsrheometer, einen Schmelze-Indexierer, ein Extensionalrheometer und ein Differenz-Scanning-Kalorimeter.

Kapitel 3 beschreibt die Durchführung der Experimente. Die Arbeit behandelt sowohl Scher- als auch Extensionalrheologie und beschreibt die Messmethoden für die Bestimmung der Scherviskosität, der dynamischen Viskosität, der Speicher- und Verlustmoduli sowie der Extensionalviskosität. Die Arbeit erläutert auch die Durchführung der DSC-Messungen zur Bestimmung der Schmelztemperatur und der Kristallinität der Materialien.

Kapitel 4 präsentiert die Ergebnisse der Experimente und diskutiert die verschiedenen Fehlerquellen, die bei der Extensionalrheometrie auftreten können. Die Arbeit analysiert die Auswirkungen der Fehlerquellen auf die Messgenauigkeit und schlägt verschiedene Korrekturmethoden vor. Es werden auch die Ergebnisse der DSC-Messungen diskutiert und die Kristallinität der Materialien berechnet.

Das fünfte Kapitel fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten. Die Arbeit zeigt, dass die Extensionalrheometrie eine anspruchsvolle Messmethode ist, die von verschiedenen Fehlerquellen beeinflusst werden kann. Es werden verschiedene Techniken vorgestellt, die die Messgenauigkeit verbessern können. Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Extensionalrheometrie für die Modellierung des Verarbeitungsverhaltens von Polymeren und die Entwicklung neuer Materialien.

Schlüsselwörter

Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die Schmelze-Extensionalrheometrie, die Extensionalviskosität, die Fehleranalyse, die Messgenauigkeit, Polystyrol, Polypropylen, Polypropylen-Nanocomposites (PPNC), Differenz-Scanning-Kalorimetrie, Schmelztemperatur, Kristallinität und das Verarbeitungsverhalten von Polymeren. Die Arbeit untersucht die verschiedenen Faktoren, die die Extensionalviskosität beeinflussen und entwickelt Techniken, die die Genauigkeit der Messungen verbessern können.

• College: Martin Luther University (Institut für Werkstoffwissenschaft)
• Grade: 1,8
• Author: Dipl. Wirtschaftsing. Guido Krebs (Author)
• Publication Year: 2006
• Pages: 62
• Catalog Number: V58506
• ISBN (eBook): 9783638526760
• Language: English
• Tags: Improved