ridm@nrct.go.th   ระบบคลังข้อมูลงานวิจัยไทย   รายการโปรดที่คุณเลือกไว้

การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่

หน่วยงาน สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย

รายละเอียด

ชื่อเรื่อง : การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่
นักวิจัย : ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ
คำค้น : Capillary rheometer , Die/barrel designs , Entrance pressure drop , Extrudate swell , Polymer melts , ความดันตกคร่อม , คาปิลารี่รีโอมิเตอร์ , พฤติกรรมการบวมตัว , พอลิเมอร์หลอมเหลว
หน่วยงาน : สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย
ผู้ร่วมงาน : -
ปีพิมพ์ : 2545
อ้างอิง : http://elibrary.trf.or.th/project_content.asp?PJID=RSA4380018 , http://research.trf.or.th/node/1599
ที่มา : -
ความเชี่ยวชาญ : -
ความสัมพันธ์ : -
ขอบเขตของเนื้อหา : -
บทคัดย่อ/คำอธิบาย :

วัตถุประสงค์ : 1. เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรูปแบบการไหลและสมบัติทางการไหลของพอลิเมอร์โดยใช้ เครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ 2. เพื่อศึกษาอิทธิพลของขนาดของ barrel และ barrel/die system ที่มีต่อคุณสมบัติและรูป แบบการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลว ในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ 3. เพื่อสรุปและวิเคราะห์ถึงพฤติกรรมและสมบัติทางการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวที่แท้จริง ในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ วิธีการทดลอง ผลการทดลองและอภิปลายผลการทดลอง ผลงานวิจัยนี้ได้นำเสนอนี้เป็นงานวิจัยที่ต่อเนื่องจากงานวิจัยในโครงการวิจัยหลัง ปริญญาเอก PDF 48/2541 โดยในงานวิจัยนี้ได้ใช้เครื่องคาปิลารีรีโอมิเตอร์แบบใหม่ในการ ศึกษาสมบัติการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลว โดยทำการออกแบบให้สามารถประกอบเข้ากับ เครื่องทดสอบแรงดึง (Tensile Testing Machine) และสามารถขับเคลื่อนทั้งระบบ Mobile Barrel และระบบ Mobile Piston โดยเริ่มจากการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติการไหล การปรับแก้ค่าความเค้นเฉือนบริเวณทางเข้า die และรูปแบบการไหล (Polym. Testing; 20: 97-103, 2001) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า สมบัติการไหลและค่าการปรับแก้ขึ้นอยู่กับทิศ ทางการขับเคลื่อนของเครื่องรีโอมิเตอร์และขนาดของ die ที่ใช้ โดยผลการทดลองสามารถ อธิบายได้โดยการใช้รูปแบบการไหล โดยอธิบายในแง่ของมุมทางเข้าของพอลิเมอร์บริเวณทาง เข้า die และความเร็วในการไหลตลอดพื้นที่หน้าตัดของการไหล อิทธิพลของการจัดระบบการวาง die และ barrel รวมถึงรูปร่างการออกแบบหน้าตัด ของ die ในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ที่มีต่อสมบัติการไหลเชิงอีลาสติก (คือ อัตราการบวมตัว) และรูปแบบการไหลได้ถูกตรวจสอบ โดยใช้เทคนิคชั้นสีการไหล โดยใช้สารประกอบยางธรรม ชาติเป็นวัตถุดิบในการศึกษา (J. Mater. Sci. Lett., 20: 1405-1408, 2001) ในงานนี้ได้มีการ ติดตั้งระบบ die 2 ชิ้นที่มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกัน ในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ โดย die แต่ ละตัวจะติดตั้งในตำแหน่งที่แตกต่างกันตลอดความยาวของ barrel ในเครื่องรีโอมิเตอร์ โดย die ตอนล่างจะมีลักษณะหน้าตัดที่แตกต่างกัน คือ เป็น die หน้าตัดกลม (circular) หน้าตัดกลมเท เปอร์ (tapered circular) หน้าตัดสี่เหลี่ยม (slit) และหน้าตักกากาบาท (cross) ในขณะที่ die ตอนบนมีหน้าตัดกลม (circular) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า อัตราการบวมตัวเปลี่ยนแปลง ไปตามรูปแบบของหน้าตัด die ตอนล่าง ซึ่งสามารถอธิบายโดยใช้รูปแบบการไหล (flow visualization) งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเพิ่มเติมไปถึงการเปลี่ยนขนาดและรูปร่างของ die ตอนล่างและตอนบน โดยแบ่งการทดสอบออกเป็น 2 ระบบ คือ ระบบแรก ทำการปรับเปลี่ยน หน้าตัดของ die ตอนล่าง และระบบทีสองทำการปรับเปลี่ยนหน้าตัดของ die ตอนบน (J. Appli. Polym. Sci.; 82: 2525-2533, 2001) จากนั้นทำการทดสอบสมบัติการไหล อัตราการ บวมตัวบริเวณทางออก die และรูปแบบการไหลทั้งบริเวณ barrel ตอนบนและตอนล่าง ผลการ ทดสอบทำให้ได้ข้อสรุปว่า รูปแบบการไหลโดยทั่วไปของยางธรรมชาติ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ และลักษณะของช่องทางไหลที่พอลิเมอร์ไหลผ่าน รูปแบบการไหลของพอลิเมอร์ใน barrel ตอน บนขึ้นอยู่กับระบบการขับเคลื่อนระหว่าง barrel และ die ในขณะที่รูปแบบการไหลของพอลิ เมอร์ใน barrel ตอนล่างขึ้นอยู่กับรูปแบบหน้าตัดของ die ตอนบน โดยลักษณะหน้าตัดของ die ตอนล่างไม่มีผลต่อรูปแบบการไหลของพอลิเมอร์ภายในเครื่องรีโอมิเตอร์ นอกจากนี้ ยังพบว่า อัตราการบวมตัวของยางธรรมชาติในระบบที่ใช้ทดสอบนี้ ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของรูปแบบ การไหลที่เกิดขึ้น (อันเป็นผลมาจากการจัดวางระบบ die และ barrel ภายในเครื่องคาปิลารี่รีโอ มิเตอร์) หากรูปแบบการไหลมีความซับซ้อนมากทำให้พอลิเมอร์ไหลวนอยู่ภายในเครื่องนาน และส่งผลให้ค่าอัตราการบวมตัวลดลง นอกจากนี้ การไหลที่ยาวนานมีผลทำให้เกิดอุณหภูมิ ของพอลิเมอร์ในระบบเพิ่มสูงขึ้น และทำให้อัตราการบวมตัวลดต่ำลงอีก จากผลงานวิจัยข้างต้นทำให้มีความจำเป็นต้องทำการศึกษาอุณหภูมิแท้จริงของพอลิ เมอร์หลอมเหลวขณะไหล (Polymer J.; 33: 491-494, 2001)โดยได้ทำการออกแบบและ พัฒนาชุดทดสอบและชุดเครื่องมือวัดอุณหภูมิขึ้น ซึ่งชุดทดสอบได้ทำการออกแบบให้สามารถใช้ งานได้ใน 2 ลักษณะคือ การเคลื่อนที่ Piston อัดพอลิเมอร์หลอมเหลวผ่านชุดเครื่องมือวัด อุณหภูมิ ซึ่งถูกยึดอยู่กับที่ (Moving Piston) และการเคลื่อนที่ชุดเครื่องมือวัดอุณหภูมิผ่านพอลิ เมอร์หลอมเหลวซึ่งอยู่กับที่ในห้องหลอม (Moving Sensor) โดยเมื่อนำค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจาก การทดลองแบบ Moving Sensor มาหักลบจาก Moving Piston ทำให้ทราบถึงค่าอุณหภูมิแท้ จริงที่เพิ่มขึ้นของพอลิเมอร์หลอมเหลวขณะไหล ผลการทดลองโดยทั่วไปพบว่าในการทดสอบ แบบ Moving Piston ค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงสุดจะอยู่ในช่วงระหว่าง 6-12 oC โดยเมื่อเพิ่ม ความเร็วของ Piston และอุณหภูมิเริ่มต้นของพอลิเมอร์หลอมเหลวก่อนการทดสอบ พบว่าค่า อุณหภูมิที่เพิ่มสูงสุดมีค่าเพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ตามที่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของ piston สูงๆ พบว่า ค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงสุดนี้มีค่าลดน้อยลง ในกรณีของการทดสอบ Moving Sensor พบ ว่าการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่วัดได้ จะมีสาเหตุมาจากการเสียดสีกันระหว่างชุดเครื่องมือวัด อุณหภูมิกับพอลิเมอร์หลอมเหลว ซึ่งมีค่าประมาณ 3-5 oC (ซึ่งคิดเป็น 30% ของค่าที่วัดได้ใน ระบบ moving piston) ผลการทดลองโดยสรุปพบว่า ค่าอุณหภูมิแท้จริงที่เพิ่มขึ้นสูงสุดของพอลิ เมอร์หลอมเหลวขณะไหลจะมีค่าประมาณ 2-8 oC ท้ายสุดของโครงการวิจัย ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับอิทธิพลของขนาดจริงและอัตราส่วน ระหว่างขนาดของ barrel และ die ที่มีต่อค่าความดันตกคร่อม (สมบัติทางวิสคัส) และอัตราการ บวมตัว (สมบัติทางอีลาสติก) รวมถึงรูปแบบการไหล (J. Appl. Polym. Sci. Submitted 2001) โดยได้ออกแบบการทดสอบออกเป็น 3 ระบบคือ ระบบแรกทำการปรับเปลี่ยนขนาดของ die โดยใช้ขนาดของ barrel คงที่ ระบบที่สองทำการปรับเปลี่ยนขนาดของ barrel โดยใช้ขนาด ของ die คงที่ และระบบที่สามปรับเปลี่ยนทั้งขนาด die และ barrel ไปพร้อมๆ กันแต่ให้อัตรา ส่วนระหว่าง barrel-to-die คงที่ ผลการทดลองพบว่า อัตราการบวมตัวและความดันตกคร่อมที่ ทางเข้า die ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่าง barrel และ die และขนาดจริงของ barrel และ die ที่ใช้ ในระบบที่อัตราส่วน barrel-to-die คงที่ การเปลี่ยนแปลงของอัตราการบวมตัวจะขึ้นอยู่กับการ เปลี่ยนแปลงค่าความดันตักคร่อมแบบเป็นเส้นตรงเมื่อใช้ขนาดของ barrel/die เป็น 20/4, 25/5 และ 30/6 มม./มม. แต่อัตราการบวมตัวจะขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงค่าความหนืดของพอลิเมอร์ที่ อัตราส่วน barrel/die เป็น 35/7 และ 40/8 มม./มม. ในระบบที่ให้ขนาด die คงที่ ความสัมพันธ์ ระหว่างอัตราการบวมตัวกับความดันตกคร่อมเป็นเส้นตรง จนถึงขนาดของ barrel ที่ 30 มม. และจะมีความสัมพันธ์ที่ไม่เป็นเส้นตรงหากขนาดของ barrek โตกว่านี้ ในระบบที่ใช้ขนาดของ barrel คงที่ ยิ่งขนาดของ die เล็กเท่าไรทำให้การบวมตัวมีค่าสูงมากขึ้น ทั้งนี้เนื่องมาจากการ เพิ่มสูงขึ้นของการไหลแบบยืดและอัตราเฉือน และการลดลงของเวลาที่พอลิเมอร์ไหลอยู่ใน ระบบ บทสรุปและข้อเสนอแนะและงานวิจัยในอนาคต งานวิจัยนี้มีข้อสรุปที่ชัดเจนว่า สมบัติทางการไหล (ไม่ว่าจะเป็นสมบัติทางวิสคัสหรืออี ลาสติก) และรูปแบบการไหล รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติและรูปแบบการไหล ขึ้นอยู่กับ หลายปัจจัย เช่น ทิศทางการขับเคลื่อน ขนาดและรูปร่างของ die การจัดวางระบบ barrel และ die รวมไปถึงขนาดที่แท้จริงและอัตราส่วนของขนาด barrel และ die ที่ใช้ เวลาที่พอลิเมอร์อยู่ ในระบบ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขณะไหล งานวิจัยที่ในอนาคตที่สนใจคือ การศึกษาพฤติ กรรมการบวมตัวแบบแจกแจงเชิงรัศมีของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์ และรูปแบบการไหลภายใน die ภายใต้สภาวะการทดสอบและวัสดุพอลิเมอร์ชนิดต่างๆ อันจะ นำไปสู่ความเข้าใจถึงกลไกและพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์ได้มากขึ้น Objectives: 1. To establish a relationship between the flow properties and flow patterns of polymer melts in a capillary rheometer 2. To investigate the effects of actual size and size ratio of die and barrel systems on the flow properties and flow patterns of polymer melts in the capillary rheometer 3. To summarise the flow behaviour of polymer melts in the capillary rheometer Methodology, Results and Discussion This research project was continued from the work carried out in the PDF project. The current project utilised the capillary rheometer which was fitted into a standard tensile testing machine and the rheometer equipment featured the possibility of moving either the piston or the barrel. The project was started by investigating the relationship between the flow properties, entrance corrections and the flow patterns of polymer melts in the capillary rheometer (Polym. Testing; 20: 97-103, 2001). The results showed that the flow properties and the entrance corrections were found to be dependent on the mode of operation and die sizes used in the capillary rheometer. The discrepancies in the results were thought to be associated with the flow occurring in the barrel of the capillary rheometer, especially at the converging flows at the die entrance. The experiment was further investigated by examining the effects of die/barrel system on the flow patterns and extrudate swell of natural rubber in the barrel of a capillary rheometer, the visualization technique used being a colored tracer. The capillary rheometer used in this work had two dies located along the barrel, this being novel in rheometer design. The lower die designs were varied using four different die cross-sections were used, these being circular, tapered circular, slit, and cross dies (J. Mater. Sci. Lett., 20: 1405-1408, 2001). The general findings indicated that the extrudate swell varied with the design of the lower die, this being linked with the flow development and complexities of the rubber compounds in the barrel. The work had extended by designing the two-die capillary rheometer in two different systems, with respect to the die design. System I: Varying the geometry of the upper die with the fixed lower circular die design and System II: Varying the geometry of the lower die with the fixed upper circular die design (J. Appli. Polym. Sci.; 82: 2525-2533, 2001). Generally, It was concluded that the general style of the flow patterns of natural rubber was greatly dependent on the die geometry that the material had previously moved past. The flow of the rubber in the upper barrel was dependent on the piston/barrel action and changed with piston displacement, whereas the complexity of the flow in the lower barrel was dependent not only on the piston displacement, but also on the geometry of the upper die design. The flow patterns developed in the whole barrel were independent of the die located at the bottom of the barrel. In addition, it was observed that the change in extrudate swell was associated with the flow occurring in the barrel, residence time, elastic characteristic and the temperature rise during the flow. The true temperature change of the polymer melts during the flow in the capillary rheometer was then determined, this being a moving temperature sensing device (Polymer J.; 33: 491-494, 2001). The moving piston mode gave the measured temperature (Tm) of the melt in the barrel while the moving sensor mode measured the temperature change due to the melt-sensor friction (Tf). By subtracting these two temperature results (at the same speed of the piston and sensor movements) the true melt temperature (Ttrue) were produced. The temperature rise from the moving piston system was about 6-12oC whereas the that from other system was about 3-5oC. The error of the melt-sensor friction was approximated to be 30% of the measured melt temperature. Under the test conditions in this work, the true maximum melt temperature was found to be in the range of 2 – 8oC. Increasing the piston speed with higher initial bulk temperature of the PP melt tended to increase the true ?Tmax to the optimum value, too high piston speed resulting in a decrease in the true ?Tmax. The polymer melt-sensor friction was found to be independent of the sensor speed and initial bulk temperature of the PP melt. Finally, the effects of the actual diameters and diameter ratios of the barrels and dies on the elastic swell (B) and entrance pressure drop (?P) of natural rubber compound in an extrusion capillary rheometer were carried out (J. Appl. Polym. Sci. submitted). Either the barrel or the die diameter was altered so that different DB/DD ratios were obtained, both barrel and die diameters being also varied simultaneously. It was found that the extrudate swell and entrance pressure drop were dependent not only on the ratio of the barrel/die diameter, but also on the actual diameter of the barrels and dies used. For fixed DB/DD ratio, the change in the extrudate swell was linearly influenced by the entrance pressure drop at low actual barrel/die diameters (DB/DD from 20/4, 25/5 and 30/6 mm/mm), but was associated with the change in material viscosity at high barrel/die diameters (DB/DD from 35/7 to 40/8 mm/mm). When the die diameter was fixed, the relationship between the entrance pressure drop and the extrudate swell was linear up to a certain value of the barrel diameter of greater than 30mm. Beyond this critical barrel value, the relationship became non-linear, and associated with the shearing stress generated due to a formation of the semi-pluglike flow patterns, and the residence time of the material. For a constant barrel diameter, it was found that the smaller the die diameter the greater the extrudate swell due to the increases in the extensional deformation and wall shear rate coupled with a reduction in the material residence time. The detailed discussion of the results can be found in the published papers at the end of the report. Conclusion and suggestions to further work The flow properties and the extrudate swell of polymer melts in a capillary rheometer are dependent on mainly how complex the polymer melt flow performs, and other interrelated factors such as die and barrel designs (size, geometry and barrel/die arrangements), residence time, and temperature rise during the flow. Further work aims to investigate the radial extrudate swell and the velocity profiles of polymer melts in the capillary rheometer under various polymer materials and test conditions (To perform in RSA 15/2544).

บรรณานุกรม :
ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ . (2545). การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่.
    กรุงเทพมหานคร : สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย.
ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ . 2545. "การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่".
    กรุงเทพมหานคร : สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย.
ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ . "การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่."
    กรุงเทพมหานคร : สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย, 2545. Print.
ณรงค์ฤทธิ์ สมบัติสมภพ . การตรวจสอบพฤติกรรมการไหลของพอลิเมอร์หลอมเหลวในเครื่องคาปิลารี่รีโอมิเตอร์แบบใหม่. กรุงเทพมหานคร : สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย; 2545.