EBB 220/3 POLYMER RHEOLOGY

1
EBB 220/3POLYMER RHEOLOGY

• DR AZURA A.RASHID
• Room 2.19
• School of Materials And Mineral Resources
  Engineering,
• Universiti Sains Malaysia, 14300 Nibong Tebal, P.
  Pinang
• Malaysia

2
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.

3

• 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.

4
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.

5
Contoh aliran
6
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.

7

• Kajian sifat aliran polimer mempunyai kepentingan
  kepentingan seperti berikut
• Dapat mengetahui sifat dan aliran semasa aliran ?
  serta faktor-faktor yang mempengaruhi aliran
  polimer.
• Meramalkan keadaan pemprosesan sebenar yang amat
  kompleks ? melalui komponen yang lebih mudah dan
  menjangkakan sifat-sifat akhir polimer.
• Menghubungkan secara kuantitatif atau kualitatif
  parameter-parameter tertentu seperti output,
  penggunaan sifat bahan.

8

• 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
• Dalam sesetengah kes, parameter-parameter
  seperti
• struktur molekul,
• morfologi,
• leburan polimer,
• adunan dan polimer terubah suai
• ? dapat dikaji dengan mengaitkan sifat reologi
  dengan struktur bahan.

9
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.

10
(No Transcript)
11
(No Transcript)
12

• Aspek kinematik yang penting untuk aliran ricih
  stabil ? setiap elemen bahan akan mengalami
  deformasi yang sama dan malar.
• Menurut aliran Newtonian, tegasan ricih berkadar
  langsung dengan kadar ricih.
• Di mana h adalah pemalar kelikatan ? suatu nilai
  konstan yang tidak bergantung pada nilai kadar
  ricih yang dikenakan.

13

• Apabila hubungan t melawan g adalah suatu
  lengkungan dan bukannya suatu garis lurus ? maka
  dua jenis kelikatan boleh didapati pada sebarang
  nilai kadar ricih
• Kelikatan ketara
• Kelikatan malar.
• Kelikatan ketara ? kecerunan yang diambil untuk
  garis yang menyambungkan nilai tegasan ricih pada
  kadar ricih tertentu dengan titik asalan,
• Kelikatan malar ? kecerunan untuk garis pada
  nilai kadar ricih tertentu sahaja untuk bahan
  yang bersifat bukan Newtonian

14
Aliran bukan newtonian

• Kebanyakan sistem polimer tidak mematuhi hukum
  Newtonian.
• Bahan bukan Newtonian boleh dikelaskan kepada
  tiga bahagian iaitu
• aliran tidak bersandar masa,
• aliran bersandar masa dan
• aliran viskoelastik.

15
Kelakuan mekanik cecair

• Mempamerkan kelakuan
• pada kadar terikan rendah boleh diwakili oleh
  hukum Newton
• bersandar sepenuhnya pada masa.
• tegasan berkadar dengan kadar terikan dan
• tegasan tidak bersandar pada terikan.

h kelikatan de/dt kadar terikan
16
Aliran tidak bersandar masa

• Kadar ricih untuk aliran tidak bersandar masa
  merupakan fungsi tegasan ricih yang boleh
  diwakili secara matematik
• Dalam pengkajian reologi terdapat empat jenis
  aliran tidak bersandar masa iaitu
• Aliran jasad Bingham,
• Aliran pseudoplastik,
• Aliran Newtonian
• Aliran dilatan.

17
Hubungan untuk aliran tidak bersandar masa
18
(No Transcript)
19
Aliran jasad Bingham

• Jasad Bingham adalah pepejal elastik iaitu bahan
  unggul yang struktur alamnya akan runtuh apabila
  tegasan yang dikenakan melebihi tegasan alah, ty,
  
• Tegasan ricih jasad Bingham adalah berkadar
  langsung dengan kadar ricih dan diberi oleh
  formula
• di mana h dikenali sebagai kelikatan plastik yang
  mencapai nilai infiniti apabila nilai kadar
  ricih menghampiri nilai sifar (g? 0) dan mencapai
  nilai h apabila nilai kadar ricih menghampiri
  nilai infiniti (g ? 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.

20
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.

21
Aliran Newtonian Pseudoplastik
22
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.

23
Aliran bersandar masa

• Sifat aliran bersandar masa adalah bergantung
  pada
• jenis aliran ricih,
• sejarah aliran dan
• juga masa pengacuanan.
• Jenis aliran ini menunjukkan keadaan berbalik.

24
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)

25
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.

26
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.

27

• Pendekatan persamaan Andrade atau persamaan
  Arrhenius dapat menghubungkan kepada tenaga
  pengaktifan semasa pergerakan rantai sebagai
  berikut
• Di mana h kelikatan leburan polimer
• AEa tenaga pengaktifan
• R pemalar universal gas
• T suhu (K)
• A pemalar Arrhenius

28

• 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
• 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.

29
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.

30
Alat untuk mengukur kelikatan
31
(No Transcript)
32
Contoh aliran
33
Fenomena aliran Rod climbing extrudate swell
34
Contoh soalan peperiksaan

• Apakah kepentingan pengetahuan reologi dalam
  pemprosesan polimer.
• Bincangkan kelakuan bukan Newtonian bahan
  polimer.
• Apakah kesan kelakuan aliran pseudoplastik
  terhadap pemprosesan polimer?

35
(No Transcript)