Při zpracování polymerů jsou tyto materiály často vystaveny velmi intenzivnímu elongačnímu toku, což může při dosažení kritických podmínek vyvolat nejrůznější typy tokových nestabilit, jež následně destabilizují celý zpracovatelský proces. Přesné stanovení elongační viskozity polymerů je pak naprosto nezbytné pro navržení optimálního designu zpracovatelských zařízení jako např. vytlačovací hlavy, vyfukovací hlavy, vstřikovací formy atd. Experimentální stanovení této velmi důležité reologické veličiny je však velmi obtížné a nepřesné, zvláště v oblasti vysokých deformačních rychlostí a teplot. Prakticky jedinou experimentální metodou pro stanovení elongační viskozity za těchto podmínek je měření vstupní tlakové ztráty při toku tavenin z širokého válce do úzké kapiláry s následnou aplikací metody dle Bindinga, Cogswella nebo Gibsona. Vzhledem k tomu, že design použité kapiláry, způsob kalibrace tlakových čidel a volba příslušné metodiky má zásadní význam na stanovení elongační viskozity, bylo cílem této práce porozumět těmto vlivům a následně navrhnout a ověřit vylepšený způsob stanovení této veličiny. Mezi nejdůležitější přínosy této práce patří navržení a experimentální ověření nového designu kapiláry s nulovou délkou (jež prokazatelně umožňuje přesnější stanovení vstupní tlakové ztráty ve srovnání s běžně používanými kapilárami) a závěr, že nejvhodnější metodikou pro stanovení elongační viskozity u rozvětvených polymerů je Cogswellův model, zatímco pro lineární polymery je to model Bindingův a Gibsonův.
Annotation in English
In this work, novel orifice die design and pressure transducer down resolution limit calibration procedure to determine precise extensional viscosity data from entrance pressure drop measurements has been developed and tested both, theoretically (through Finite Element Analysis) and experimentally. It has been clearly demonstrated that the proposed improvements leads to much more precise extensional viscosity measurements for polymer melts in comparison with conventional procedures based on the entrance pressure drop measurements. Moreover, it has been found that for extensional strain hardening and extensional strain thinning polymer melts, the corrected Cogswell model and Binding/Gibson model should only be preferred, respectively. Otherwise, the extensional viscosity determination can be rather erroneous.
Při zpracování polymerů jsou tyto materiály často vystaveny velmi intenzivnímu elongačnímu toku, což může při dosažení kritických podmínek vyvolat nejrůznější typy tokových nestabilit, jež následně destabilizují celý zpracovatelský proces. Přesné stanovení elongační viskozity polymerů je pak naprosto nezbytné pro navržení optimálního designu zpracovatelských zařízení jako např. vytlačovací hlavy, vyfukovací hlavy, vstřikovací formy atd. Experimentální stanovení této velmi důležité reologické veličiny je však velmi obtížné a nepřesné, zvláště v oblasti vysokých deformačních rychlostí a teplot. Prakticky jedinou experimentální metodou pro stanovení elongační viskozity za těchto podmínek je měření vstupní tlakové ztráty při toku tavenin z širokého válce do úzké kapiláry s následnou aplikací metody dle Bindinga, Cogswella nebo Gibsona. Vzhledem k tomu, že design použité kapiláry, způsob kalibrace tlakových čidel a volba příslušné metodiky má zásadní význam na stanovení elongační viskozity, bylo cílem této práce porozumět těmto vlivům a následně navrhnout a ověřit vylepšený způsob stanovení této veličiny. Mezi nejdůležitější přínosy této práce patří navržení a experimentální ověření nového designu kapiláry s nulovou délkou (jež prokazatelně umožňuje přesnější stanovení vstupní tlakové ztráty ve srovnání s běžně používanými kapilárami) a závěr, že nejvhodnější metodikou pro stanovení elongační viskozity u rozvětvených polymerů je Cogswellův model, zatímco pro lineární polymery je to model Bindingův a Gibsonův.
Annotation in English
In this work, novel orifice die design and pressure transducer down resolution limit calibration procedure to determine precise extensional viscosity data from entrance pressure drop measurements has been developed and tested both, theoretically (through Finite Element Analysis) and experimentally. It has been clearly demonstrated that the proposed improvements leads to much more precise extensional viscosity measurements for polymer melts in comparison with conventional procedures based on the entrance pressure drop measurements. Moreover, it has been found that for extensional strain hardening and extensional strain thinning polymer melts, the corrected Cogswell model and Binding/Gibson model should only be preferred, respectively. Otherwise, the extensional viscosity determination can be rather erroneous.
1. Vypracujte literární studii na dané téma.
2. Teoreticky a experimentálně ohodnoťte vliv designu kapiláry a způsobu kalibrace tlakových čidel na stanovení tahové viskozity pomocí výtlačného reometru pro různé typy lineárních a rozvětvených polymerů.
3. Navrhněte metodiku pro přesnější způsob stanovení tahové viskozity na základě kapilární reometrie a úspěšnost navrženého postupu ověřte pomocí nezávislého měření na Sentmanatově elongačním reometru.
Research Plan
1. Vypracujte literární studii na dané téma.
2. Teoreticky a experimentálně ohodnoťte vliv designu kapiláry a způsobu kalibrace tlakových čidel na stanovení tahové viskozity pomocí výtlačného reometru pro různé typy lineárních a rozvětvených polymerů.
3. Navrhněte metodiku pro přesnější způsob stanovení tahové viskozity na základě kapilární reometrie a úspěšnost navrženého postupu ověřte pomocí nezávislého měření na Sentmanatově elongačním reometru.
Recommended resources
ZATLOUKAL, M., VLCEK, J., TZOGANAKIS, C., SAHA, P. Improvement in techniques for the determination of extensional rheological data from entrance flows: computational and experimental analysis Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2002, no. 107, p. 13.
BARNES, H. A., HUTTON, J. F., WALTERS, K. An Introduction to Rheology. New York : Elsevier, 1989.
COGSWELL, F. N. Polymer Melt - A Guide for Industrial Practice. Cambridge : Woodhead, 1994.
COLLYER, A. A., CLEGG, D. W. Rheological Measurement. London : Elsevier, 1998.
LARSON, R. G. Constitutive Equations for Polymer Melts and Solutions. Boston : Butterworths, 1988.
MACOSCO, CH. W. Rheology-Principles, Measurements and Applications. New York : VCH, 1994.
MORRISON, F. A. Understanding Rheology. New York : Oxford University Press, 2001.
AGASSANT, J.F., AVENAS, P., SERGENT, J. PH, CARREAU, P. J. Polymer Processing-Principles and Modeling. Munich : Hanser, 1991.
BIRD, R. B., ARMSTRONG, R. C., HASSAGER, O. Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1 - Fluid Mechanics. New York : Wiley, 1987.
Recommended resources
ZATLOUKAL, M., VLCEK, J., TZOGANAKIS, C., SAHA, P. Improvement in techniques for the determination of extensional rheological data from entrance flows: computational and experimental analysis Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2002, no. 107, p. 13.
BARNES, H. A., HUTTON, J. F., WALTERS, K. An Introduction to Rheology. New York : Elsevier, 1989.
COGSWELL, F. N. Polymer Melt - A Guide for Industrial Practice. Cambridge : Woodhead, 1994.
COLLYER, A. A., CLEGG, D. W. Rheological Measurement. London : Elsevier, 1998.
LARSON, R. G. Constitutive Equations for Polymer Melts and Solutions. Boston : Butterworths, 1988.
MACOSCO, CH. W. Rheology-Principles, Measurements and Applications. New York : VCH, 1994.
MORRISON, F. A. Understanding Rheology. New York : Oxford University Press, 2001.
AGASSANT, J.F., AVENAS, P., SERGENT, J. PH, CARREAU, P. J. Polymer Processing-Principles and Modeling. Munich : Hanser, 1991.
BIRD, R. B., ARMSTRONG, R. C., HASSAGER, O. Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1 - Fluid Mechanics. New York : Wiley, 1987.
