رئولوژی پلیمر چیست؟

چرا برخی قطعات تزریق پلاستیک پس از تولید دچار تاب‌خوردگی (Warpage) می‌شوند؟ یا سطح لوله‌های تولیدی در اکستروژن، ناهموار و غیریکنواخت از آب درمی‌آید؟ این چالش‌های رایج صنعتی تقریباً همیشه ریشه در یک عامل کلیدی دارند: نحوه رفتار و «جریان» (Flow) ماده در لحظه فرآوری در داخل قالب یا دای.

کنترل این رفتارها نیازمند درک عمیقی از چگونگی حرکت، تغییر شکل و آسودگی زنجیره‌های پلیمری مذاب تحت فشار و دما است. این حوزه دقیقاً توسط رئولوژی پلیمر (Polymer Rheology) تعریف و بررسی می‌شود. این علم، ابزار حیاتی برای درک و پیش‌بینی این رفتارها و ایجاد ارتباط مستقیم بین ساختار مولکولی ماده و کیفیت محصول نهایی است. در این مقاله، به بررسی جامع علم رئولوژی، از مبانی پایه تا کاربردهای ضروری آن در فرآیندهای تولیدی، می‌پردازیم.

رئولوژی چیست؟

تعریف رئولوژی (Rheology) به زبان ساده، علم مطالعه جریان (Flow) و تغییر شکل (Deformation) مواد است. این کلمه از ریشه یونانی “rheos” به معنای “جریان یافتن” گرفته شده است. علم رئولوژی بررسی می‌کند که یک ماده تحت اعمال نیرو یا تنش چگونه پاسخ می‌دهد؛ آیا مانند یک مایع روان جریان می‌یابد یا مانند یک جامد الاستیک در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کند؟

اهمیت رئولوژی پلیمر در این است که پلیمرها (به‌ویژه در حالت مذاب یا محلول) موادی پیچیده هستند که رفتاری بینابینی دارند. آن‌ها نه مانند آب (یک مایع ساده) و نه مانند فولاد (یک جامد کامل) رفتار می‌کنند، بلکه خواص هر دو حالت را همزمان نشان می‌دهند. درک این رفتار دوگانه برای هرگونه فرآیند تولیدی ضروری است.

زبان رئولوژی: تنش برشی و نرخ برش (Shear Rate)

برای درک رئولوژی پلیمر، ابتدا باید با دو متغیر اساسی آن آشنا شویم:

1. تنش برشی (Shear Stress): این مفهوم، معرف نیرویی است که به واحد سطح ماده اعمال می‌شود تا لایه‌های آن بر روی یکدیگر بلغزند. در فرآیندهای صنعتی، فشاری که پمپ مذاب اکسترودر یا جک تزریق به مذاب وارد می‌کند، عامل ایجاد تنش برشی است.
2. نرخ برش (Shear Rate) یا نرخ کرنش: این متغیر، سرعت تغییر شکل یا سرعت جریان ماده را توصیف می‌کند. نرخ برش نشان می‌دهد که لایه‌های سیال با چه سرعتی نسبت به یکدیگر در حال حرکت هستند. برای مثال، جریان آرام مذاب در یک قالب پهن نرخ برش پایینی دارد، در حالی که عبور پرسرعت همان مذاب از یک ورودی نازک (Gate) در قالب تزریق، نرخ برش بسیار بالایی ایجاد می‌کند.

ویسکوزیته چیست؟ (Viscosity)

ویسکوزیته (Viscosity) یا گرانروی، شناخته‌شده‌ترین خاصیت رئولوژیکی است. ویسکوزیته چیست؟ این اصطلاح به سادگی به مقاومت داخلی یک سیال در برابر جریان یافتن اشاره دارد.

ماده‌ای با ویسکوزیته پایین (مانند آب) به راحتی جریان می‌یابد، در حالی که ماده‌ای با ویسکوزیته بالا (مانند عسل یا مذاب پلیمر) مقاومت بسیار بیشتری در برابر حرکت نشان می‌دهد.

در رئولوژی پلیمر، درک ویسکوزیته اهمیت بالایی دارد، زیرا ویسکوزیته پلیمرها برخلاف مواد ساده، یک عدد ثابت نیست و به شدت به عواملی چون دما و سرعت فرآیند (نرخ برش) وابسته است.

مبانی رئولوژی پلیمر: تفاوت سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی

یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم در علم رئولوژی، دسته‌بندی مواد بر اساس پاسخ ویسکوزیته آن‌ها به نرخ برش است. این دسته‌بندی، تفاوت اساسی بین مواد ساده (مانند آب) و مواد پیچیده (مانند مذاب پلیمر که تمرکز اصلی رئولوژی پلیمر است) را آشکار می‌کند.

سیال نیوتنی چیست؟ (رفتار ساده و قابل پیش‌بینی)

سیال نیوتنی (Newtonian Fluid) ماده‌ای است که ویسکوزیته آن کاملاً ثابت باقی می‌ماند، صرف نظر از اینکه چقدر سریع یا آهسته هم زده شود (صرف نظر از نرخ برش). ویسکوزیته در این مواد تنها به دما و فشار وابسته است.

این رفتار قابل پیش‌بینی توسط قانون ویسکوزیته نیوتن توصیف می‌شود که یک رابطه خطی مستقیم بین تنش برشی و نرخ برش برقرار می‌کند. موادی مانند آب، روغن‌های سبک و بسیاری از حلال‌های خالص، رفتار نیوتنی دارند. اگر آب را دو برابر سریع‌تر هم بزنید، مقاومت آن در برابر هم زدن (ویسکوزیته) تغییر نمی‌کند.

مواد غیر نیوتنی (رفتار پیچیده پلیمرها)

در مقابل، مواد غیر نیوتنی (Non-Newtonian Fluids) دسته‌ای از مواد هستند که ویسکوزیته آن‌ها به نرخ برش اعمال شده بستگی دارد. رفتار این مواد بسیار پیچیده‌تر است و دیگر از قانون ساده نیوتن پیروی نمی‌کند.

تقریباً تمام مذاب‌ها و محلول‌های پلیمری غلیظ، غیر نیوتنی هستند. این بدان معناست که ویسکوزیته یک پلیمر در داخل دستگاه اکسترودر (جایی که نرخ برش بالاست) با ویسکوزیته همان پلیمر در حالت سکون (نرخ برش صفر) کاملاً متفاوت است. در بخش‌های بعدی خواهیم دید که پلیمرها معمولاً رفتاری به نام «تنک شوندگی برشی» از خود نشان می‌دهند، یعنی با افزایش سرعت فرآیند، رقیق‌تر و روان‌تر می‌شوند.

ویسکوالاستیسیته: رفتار دوگانه و منحصربه‌فرد پلیمرها

مفهوم محوری در رئولوژی پلیمر و دلیل اصلی پیچیدگی آن، درک یک مفهوم واحد است: ویسکوالاستیسیته. این مفهوم توضیح می‌دهد که چرا پلیمرها نه جامد کامل هستند و نه مایع کامل، بلکه رفتاری دوگانه و منحصربه‌فرد از خود نشان می‌دهند.

رفتار ویسکوالاستیک (Viscoelasticity) چیست؟

رفتار ویسکوالاستیک (Viscoelastic behavior) به این معناست که پلیمرها همزمان خواص دوگانه دارند:

1. خواص ویسکوز (Viscous): مانند یک مایع غلیظ (مثل عسل)، در برابر جریان مقاومت می‌کنند و انرژی را به صورت گرما تلف می‌کنند. این بخش از رفتار، برگشت‌ناپذیر است.
2. خواص الاستیک (Elastic): مانند یک جامد (مثل کش لاستیکی)، انرژی را در خود ذخیره می‌کنند و پس از حذف نیرو تمایل دارند به شکل اولیه خود بازگردند. این بخش از رفتار، برگشت‌پذیر است.

یک مثال ملموس برای درک ویسکوالاستیسیته، پدیده «بازگشت» (Recoil) است. اگر شما یک سیال نیوتنی (مثل آب) را در یک لیوان هم بزنید و قاشق را ناگهان متوقف کنید، آب بلافاصله می‌ایستد. اما اگر یک مذاب پلیمر غلیظ را هم بزنید و همزن را متوقف کنید، مذاب کمی در جهت عکس بازمی‌گردد. این بازگشت کوچک، همان انرژی الاستیکی ذخیره شده در زنجیره‌های پلیمری کشیده شده است که اکنون در حال آزاد شدن هستند.

زمان آسودگی (Relaxation Time)

برای درک اینکه کدام رفتار (ویسکوز یا الاستیک) در پلیمر غالب است، از مفهومی به نام زمان آسودگی (Relaxation Time) استفاده می‌کنیم.

زمان آسودگی (با نماد $\tau$)، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا زنجیره‌های پلیمری که تحت تنش کشیده شده‌اند، به حالت طبیعی و آسوده (کلاف درهم‌پیچیده) خود بازگردند.

اهمیت این مفهوم در مقایسه آن با زمان فرآیند است:

• اگر زمان فرآیند کوتاه باشد (مثل تزریق سریع): زنجیره‌ها فرصت آسوده شدن ندارند. آن‌ها در حالت کشیده و پر تنش “منجمد” می‌شوند. این همان رفتار ویسکوالاستیک است که منجر به ایجاد تنش‌های پسماند در قطعه و تاب‌خوردگی (Warpage) پس از خروج از قالب می‌شود.
• اگر زمان فرآیند طولانی باشد (مثل آنیلینگ): زنجیره‌ها زمان کافی برای آسوده شدن و رها کردن تنش‌ها را دارند و ماده بیشتر شبیه یک مایع ویسکوز رفتار می‌کند.

پدیده‌های کلیدی در رئولوژی مذاب پلیمر (رفتارهای غیر نیوتنی)

رفتار غیر نیوتنی و ویسکوالاستیک پلیمرها باعث بروز پدیده‌های قابل مشاهده‌ای می‌شود که درک آن‌ها برای فرآیندهای صنعتی حیاتی است. این رفتارها مستقیماً بر کیفیت محصول نهایی تأثیر می‌گذارند.

تنک شوندگی برشی (Shear Thinning): مهم‌ترین رفتار پلیمرها

تنک شوندگی برشی (Shear Thinning) مهم‌ترین رفتار غیر نیوتنی در رئولوژی پلیمر است. این اصطلاح به پدیده کاهش ویسکوزیته با برش (افزایش نرخ برش) اطلاق می‌شود. به عبارت ساده‌تر، هرچه مذاب پلیمر سریع‌تر هم زده شود یا سریع‌تر جریان یابد، رقیق‌تر (روان‌تر) می‌شود.

چرا این اتفاق می‌افتد؟ در حالت سکون، زنجیره‌های بلند پلیمری مانند اسپاگتی در هم گره خورده‌اند (Entanglements). این گره‌خوردگی‌ها مقاومت زیادی در برابر جریان ایجاد می‌کنند (ویسکوزیته بالا). هنگامی که نرخ برش افزایش می‌یابد (مانند عبور مذاب از یک نازل باریک)، این نیرو باعث باز شدن گره‌ها و هم‌جهت شدن زنجیره‌ها در راستای جریان می‌شود. این هم‌جهتی به زنجیره‌ها اجازه می‌دهد راحت‌تر روی هم بلغزند و ویسکوزیته به شدت کاهش می‌یابد.

اهمیت صنعتی این پدیده بسیار زیاد است:

• فرآیندپذیری: اگر پلیمرها این رفتار را نداشتند، نیروی مورد نیاز برای فرآیندهایی مانند تزریق پلاستیک (که نرخ برش بسیار بالایی دارند) به شکل نجومی زیاد می‌شد. تنک شوندگی برشی باعث می‌شود پلیمرها در فرآیندهای سرعت بالا به راحتی جریان یابند.
• پایداری: در نرخ برش پایین (مانند انبارداری یا لحظه توقف جریان)، ویسکوزیته بالا به ماده کمک می‌کند تا شکل خود را حفظ کند و دچار ریزش (Sagging) نشود.

سخت شوندگی برشی

سخت شوندگی برشی (Shear Thickening) رفتار معکوس تنک شوندگی برشی است. در این حالت، ویسکوزیته ماده با افزایش نرخ برش، افزایش می‌یابد. این پدیده در مذاب‌های پلیمری خالص بسیار نادر است اما در برخی سوسپانسیون‌های پلیمری غلیظ (مانند پلیمرهای حاوی پُرکننده‌های زیاد) مشاهده می‌شود.

پدیده تورم دای (Die Swell Effect)

پدیده تورم دای (Die Swell Effect) یا اثر تورم قالب، یکی از واضح‌ترین نشانه‌های رفتار ویسکوالاستیک پلیمرها است.

تعریف: هنگامی که مذاب پلیمر از یک خروجی باریک (مانند دای اکستروژن) عبور می‌کند، زنجیره‌ها تحت تنش کشیده و هم‌جهت می‌شوند. بلافاصله پس از خروج مذاب از دای، این تنش اعمال شده حذف می‌شود. زنجیره‌ها که خاصیت الاستیک دارند، تمایل دارند به حالت درهم‌پیچیده و آسوده قبلی خود بازگردند. این بازگشت (Relaxation) باعث می‌شود قطر رشته خروجی (Extrudate) به طور قابل توجهی بزرگتر از قطر دای باشد.

این پدیده باید در طراحی قالب‌های اکستروژن دقیقاً محاسبه شود؛ در غیر این صورت، ابعاد محصول نهایی (مانند لوله یا پروفیل) بزرگتر از حد انتظار خواهد بود.

اثر وایسنبرگ (Weissenberg Effect)

اثر وایسنبرگ (Weissenberg Effect) یا اثر بالا آمدن میله، پدیده دیگری است که مستقیماً خاصیت الاستیک مذاب پلیمر را نشان می‌دهد.

تعریف: اگر یک میله چرخان را وارد یک سیال نیوتنی (مانند آب) کنید، نیروی گریز از مرکز، سیال را به سمت دیواره ظرف می‌راند و سطح سیال در اطراف میله پایین می‌رود. اما اگر همان میله را در یک مذاب پلیمری ویسکوالاستیک بچرخانید، مذاب برخلاف نیروی گریز از مرکز، از میله بالا می‌آید و دور آن جمع می‌شود.

این پدیده به دلیل تنش‌های عمودی (Normal Stresses) رخ می‌دهد که در مواد ویسکوالاستیک هنگام برش ایجاد می‌شود و نشان‌دهنده ذخیره انرژی الاستیک در ماده است.

اندازه‌گیری خواص رئولوژیکی: چگونه پلیمرها را تست می‌کنیم؟

برای اینکه بتوانیم از رئولوژی پلیمر در صنعت استفاده کنیم، باید قادر باشیم خواص آن را به صورت عددی اندازه‌گیری کنیم. این کار به ما اجازه می‌دهد تا مواد مختلف را مقایسه کنیم، کیفیت مواد اولیه را کنترل کنیم و داده‌های لازم برای شبیه‌سازی فرآیندها را فراهم آوریم.

ویسکومتر چیست؟

ویسکومتر (Viscometer) دستگاهی است که برای اندازه‌گیری ویسکوزیته استفاده می‌شود. ویسکومتر چیست؟ این دستگاه معمولاً مقاومت یک سیال را در برابر جریان، تحت یک شرایط مشخص (اغلب یک نرخ برش واحد یا یک هندسه ثابت) اندازه‌گیری می‌کند. ویسکومترها برای سیالات نیوتنی که ویسکوزیته ثابتی دارند، ابزارهای دقیق و کافی هستند.

رئومتر چیست؟

رئومتر (Rheometer) دستگاهی بسیار پیشرفته‌تر است. رئومتر چیست؟ این دستگاه نه تنها ویسکوزیته، بلکه مجموعه‌ای کامل از خواص رئولوژیکی پلیمرها را اندازه‌گیری می‌کند. یک رئومتر می‌تواند رفتار ماده را در بازه‌های گسترده‌ای از نرخ برش، دما، یا فرکانس‌های نوسانی بررسی کند.

تفاوت ویسکومتر و رئومتر

تفاوت اساسی این دو در قابلیت آن‌ها برای تحلیل مواد غیر نیوتنی است:

• ویسکومتر به شما می‌گوید ویسکوزیته در یک نقطه خاص چقدر است (مانند یک عکس فوری).
• دستگاه رئومتر به شما می‌گوید ویسکوزیته و خواص ویسکوالاستیک (مانند مدول ذخیره و اتلاف) چگونه با تغییر شرایط (مانند نرخ برش) تغییر می‌کنند (مانند یک فیلم کامل از رفتار ماده).

برای درک کامل رفتار پلیمر، که ویسکوزیته آن دائماً در حال تغییر است، استفاده از رئومتر ضروری است، در حالی که ویسکومتر تنها اطلاعاتی بسیار محدود ارائه می‌دهد.

انواع رئومتر

دو نوع اصلی رئومتر که در رئولوژی پلیمر استفاده می‌شوند، عبارتند از:

رئومتر مویین

رئومتر مویین برای شبیه‌سازی فرآیندهای با نرخ برش بسیار بالا طراحی شده است. در این دستگاه، مذاب پلیمر با یک پیستون از داخل یک لوله مویین (یک دای بسیار باریک) با سرعت مشخص رانده می‌شود. با اندازه‌گیری فشار مورد نیاز برای این کار، می‌توان ویسکوزیته مذاب را در نرخ‌های برش بالا (مشابه آنچه در تزریق پلاستیک و اکستروژن رخ می‌دهد) محاسبه کرد.

رئومتر چرخشی

رئومتر چرخشی (که به آن رئومتر صفحه‌مخروط یا صفحه-صفحه نیز گفته می‌شود) بسیار دقیق‌تر است و برای مطالعه رفتار ماده در نرخ برش‌های پایین تا متوسط استفاده می‌شود. این دستگاه می‌تواند خواص ویسکوالاستیک ماده را با اعمال نوسان‌های کوچک و اندازه‌گیری پاسخ الاستیک و ویسکوز آن به طور مجزا، تحلیل کند. این نوع رئومتر برای درک ساختار داخلی پلیمر، مانند میزان گره‌خوردگی زنجیره‌ها یا زمان آسودگی، ابزاری حیاتی است.

شاخص جریان مذاب (MFI): تست رایج صنعتی اما محدود

در بسیاری از واحدهای کنترل کیفیت و کارخانه‌های فرآوری پلاستیک، رایج‌ترین آزمون برای سنجش “روانی” (Flowability) پلیمر، تست MFI است. اگرچه این تست مفید است، اما درک محدودیت‌های آن و تفاوتش با رئولوژی پلیمر حیاتی است.

تست MFI چیست؟

شاخص جریان مذاب (Melt Flow Index) یا MFI (که گاهی MFR یا Melt Flow Rate نیز نامیده می‌شود)، یک آزمون استاندارد (مانند ASTM D1238) است. تست MFI چیست؟ در این آزمون، مقدار مشخصی از پلیمر در دمای ثابت گرم شده و سپس تحت تأثیر یک وزنه استاندارد، از یک دای (قالب) با ابعاد بسیار دقیق عبور داده می‌شود.

نتیجه آزمون، عددی است که نشان می‌دهد چه مقدار پلیمر (بر حسب گرم) در مدت ۱۰ دقیقه از دای خارج شده است.

• MFI بالا: نشان‌دهنده ویسکوزیته پایین و روانی بالای ماده است (پلیمر شل‌تر است).
• MFI پایین: نشان‌دهنده ویسکوزیته بالا و روانی پایین ماده است (پلیمر سفت‌تر است).

تفاوت MFI و رئولوژی واقعی

بزرگترین ابهام، استفاده از MFI برای پیش‌بینی رفتار پلیمر در فرآیندهای واقعی است. MFI یک تست کنترل کیفیت مفید، سریع و ارزان است، اما یک تست رئولوژی کامل نیست.

1. تست تک‌نقطه‌ای: MFI ویسکوزیته را فقط در یک نقطه (یک دما و یک تنش برشی ثابت و بسیار پایین) اندازه‌گیری می‌کند.
2. عدم همخوانی نرخ برش: نرخ برش در دستگاه MFI بسیار پایین است (شبیه به حالت نیمه‌سکون). در حالی که نرخ برش در فرآیندهای صنعتی مانند تزریق پلاستیک یا اکستروژن هزاران برابر بالاتر است.
3. نادیده گرفتن ویسکوالاستیسیته: MFI هیچ اطلاعاتی در مورد خواص الاستیک ماده، رفتار ویسکوالاستیک، تنک شوندگی برشی یا پدیده تورم دای ارائه نمی‌دهد.

تفاوت MFI و رئولوژی در این است که MFI به شما می‌گوید ماده A از ماده B روان‌تر است (در شرایط تست)، اما رئولوژی به شما می‌گوید چگونه این ماده در سرعت‌های مختلف فرآیند، از حالت سکون تا تزریق کامل، رفتار خواهد کرد. دو پلیمر با MFI یکسان ممکن است در نرخ برش بالای فرآیند، رفتارهای رئولوژیکی کاملاً متفاوتی داشته باشند.

تأیید شد. بخش بعدی به مدل‌های ریاضی می‌پردازد که برای پیش‌بینی خواص رئولوژیکی پلیمرها استفاده می‌شوند.

مدل های رئولوژی پلیمر (معادلات پیش‌بینی‌کننده جریان)

خواص رئولوژیکی پلیمرها که با دستگاه رئومتر اندازه‌گیری می‌شوند، مجموعه‌ای از داده‌ها هستند. برای استفاده عملی از این داده‌ها در شبیه‌سازی‌های کامپیutری فرآیندهای صنعتی (مانند شبیه‌سازی تزریق پلاستیک)، ما به معادلات ریاضی یا مدل های رئولوژی پلیمر نیاز داریم. این مدل‌ها رفتار اندازه‌گیری‌شده را در قالب یک معادله توصیف می‌کنند.

مدل قانون توان (Power-law Model)

مدل قانون توان (Power-law Model) رایج‌ترین و ساده‌ترین مدلی است که رفتار تنک شوندگی برشی (Shear Thinning) پلیمرها را توصیف می‌کند. این مدل رابطه بین تنش برشی ($\tau$) و نرخ برش ($\dot{\gamma}$) را به صورت زیر بیان می‌کند:

$$\tau = K \cdot (\dot{\gamma})^n$$

در این معادله:

• $\tau$: تنش برشی
• $\dot{\gamma}$: نرخ برش
• $K$: شاخص غلظت (Consistency Index) – نشان‌دهنده ویسکوزیته ماده در نرخ برش ۱.
• $n$: شاخص رفتار جریان (Power-law Index).

اهمیت در پارامتر $n$ است:

• $n = 1$: ماده نیوتنی است (مانند مدل نیوتن).
• $n < 1$: ماده تنک شونده برشی است (رایج‌ترین حالت برای پلیمرها).
• $n > 1$: ماده سخت شونده برشی است.

این مدل به دلیل سادگی، به طور گسترده در شبیه‌سازی‌های اولیه فرآیند استفاده می‌شود، هرچند در نرخ برش‌های بسیار پایین یا بسیار بالا دقت خود را از دست می‌دهد.

مدل کراس (Cross Model) و مدل‌های دیگر

برای توصیف دقیق‌تر رئولوژی مذاب پلیمر در بازه وسیع‌تری از نرخ‌های برش، از مدل‌های پیچیده‌تری مانند مدل کراس (Cross Model) استفاده می‌شود. این مدل رفتار پلیمر را در سه ناحیه توصیف می‌کند:

1. ویسکوزیته ثابت در نرخ برش پایین (ناحیه نیوتنی اول).
2. ناحیه تنک شوندگی برشی (ناحیه قانون توان).
3. ویسکوزیته ثابت در نرخ برش بسیار بالا (ناحیه نیوتنی دوم).

مدل‌هایی مانند کراس یا Carreau-Yasuda دقت بسیار بالاتری برای شبیه‌سازی‌های دقیق فرآیندهای صنعتی فراهم می‌کنند.

مدل های ویسکوالاستیک (مدل ماکسول و مدل کلوین-ووگت)

مدل‌های بالا (مانند قانون توان) فقط رفتار ویسکوز (جریان) را توصیف می‌کنند و بخش الاستیک رفتار پلیمر را نادیده می‌گیرند. برای توصیف کامل رفتار ویسکوالاستیک، از مدل‌های مکانیکی استفاده می‌شود.

• مدل ماکسول: این مدل یک فنر (بخش الاستیک) و یک داش‌پات (Dashpot – بخش ویسکوز) را به صورت سری در نظر می‌گیرد. این مدل برای توصیف پدیده‌هایی مانند زمان آسودگی (Relaxation) مناسب است.
• مدل کلوین-ووگت: این مدل همان دو المان را به صورت موازی در نظر می‌گیرد و برای توصیف پدیده خزش (Creep) مناسب‌تر است.

این مدل‌های بنیادی، پایه‌ای برای مدل های ویسکوالاستیک پیچیده‌تر هستند که رفتار دوگانه پلیمرها را در شبیه‌سازی‌های پیشرفته تحلیل می‌کنند.

کاربرد رئولوژی پلیمر در فرآیندهای صنعتی

کاربرد رئولوژی پلیمر درک این است که چگونه یک ماده خام در یک دستگاه فرآیندی خاص رفتار خواهد کرد. رئولوژی در فرآیندهای پلیمری پل ارتباطی بین ساختار مولکولی ماده (که توسط شیمیدان طراحی شده) و محصول نهایی (که توسط مهندس تولید شده) است. بدون علم رئولوژی، انتخاب مواد، طراحی قالب‌ها و بهینه‌سازی خطوط تولید تا حد زیادی بر اساس آزمون و خطا خواهد بود.

رئولوژی در تزریق پلاستیک

رئولوژی در تزریق پلاستیک نقشی حیاتی در پر شدن قالب و کیفیت نهایی قطعه دارد.

• پیش‌بینی پر شدن قالب: منحنی جریان (Flow Curve) که از دستگاه رئومتر به دست می‌آید، به نرم‌افزارهای شبیه‌سازی اجازه می‌دهد تا دقیقاً پیش‌بینی کنند که مذاب چگونه در حفره‌های پیچیده قالب جریان می‌یابد. این کار به جلوگیری از نواقصی مانند شات کوتاه (Short Shot) یا خطوط جوش (Weld Lines) کمک می‌کند.
• فشار تزریق: ویسکوزیته ماده (مخصوصاً رفتار تنک شوندگی برشی آن) مستقیماً تعیین می‌کند که چه فشاری برای پر کردن قالب در سرعت مورد نظر لازم است.
• تنش پسماند: رفتار ویسکوالاستیک و زمان آسودگی طولانی باعث ایجاد تنش‌های داخلی در قطعه هنگام انجماد سریع می‌شود که عامل اصلی تاب‌خوردگی (Warpage) پس از خروج قطعه از قالب است.

تاثیر رئولوژی بر اکستروژن

در فرآیند پیوسته اکستروژن (تولید لوله، پروفیل، فیلم)، کنترل ابعادی محصول نهایی مستقیماً به رئولوژی پلیمر وابسته است.

• کنترل ابعاد: پدیده تورم دای (Die Swell Effect) باعث می‌شود قطر محصول از قطر دای بزرگتر باشد. مهندسان طراح قالب باید با استفاده از داده‌های رئولوژیکی، میزان این تورم را پیش‌بینی کرده و دای را کوچکتر از ابعاد نهایی محصول طراحی کنند.
• پایداری فرآیند: در سرعت‌های بالای تولید، مذاب‌های پلیمری می‌توانند دچار پدیده‌ای به نام شکست مذاب (Melt Fracture) شوند که سطح محصول را ناهموار و شبیه پوست کوسه می‌کند. علم رئولوژی به تعیین حد سرعت تولید قبل از وقوع این پدیده کمک می‌کند.

رابطه وزن مولکولی و ویسکوزیته (MWD و رئولوژی)

خواص رئولوژیکی پلیمرها به شدت به ساختار مولکولی آن‌ها، به‌خصوص وزن مولکولی (طول زنجیره) و توزیع وزن مولکولی (MWD) وابسته‌اند.

• وزن مولکولی (MW): به طور کلی، هرچه وزن مولکولی بالاتر باشد (زنجیره‌ها بلندتر)، گره‌خوردگی‌ها (Entanglements) بیشتر شده و ویسکوزیته به شدت افزایش می‌یابد. (ویسکوزیته با توان $3.4$ از وزن مولکولی رابطه دارد: $\eta \propto (MW)^{3.4}$).
• توزیع وزن مولکولی (MWD): پلیمرهایی با توزیع وزن مولکولی گسترده (ترکیبی از زنجیره‌های کوتاه و بلند)، معمولاً رفتار تنک شوندگی برشی قوی‌تری نشان می‌دهند و فرآیندپذیری راحت‌تری در سرعت‌های بالا دارند. تاثیر ساختار پلیمر بر رئولوژی به مهندسان اجازه می‌دهد تا با آنالیز رئولوژیکی، به ساختار مولکولی ماده پی ببرند.

کنترل کیفیت پلیمر با رئولوژی

کنترل کیفیت پلیمر با رئولوژی بسیار دقیق‌تر از تست MFI است. کارخانه‌ها از رئومتر استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که بچ‌های مختلف مواد اولیه ورودی، دقیقاً منحنی جریان یکسانی دارند. هرگونه تغییر کوچک در فرآیند پلیمریزاسیون (که منجر به تغییر در توزیع وزن مولکولی می‌شود)، خود را در نمودار رئولوژیکی نشان می‌دهد. این کار تضمین می‌کند که فرآیند تولید (مانند تنظیمات دستگاه تزریق) در طول زمان ثابت باقی بماند.