Wybrane problemy reologii uplastycznionych polimerów napełnionych

Rozprawa dotyczy wybranych problemów reologii napełnionych polimerów termoplastycznych w stanie uplastycznionym. Uwagę skupiono na zależnościach pomiędzy cechami geometrycznymi ziaren napełniaczy mineralnych a własnościami reologicznymi, takimi jak lepkość, rozszerzenie strugi i moduł dynamiczny. Analiza literatury dotyczącej reologii polimerów napełnionych wskazuje, że wiedza dotycząca związków pomiędzy własnościami reologicznymi a cechami geometrycznymi ziaren napełniaczy jest niepełna. Celowe zatem jest bliższe rozpoznanie tej problematyki opracowanie modeli empirycznych opisujących ilościowo wpływ cech geometrycznych na charakterystyki reologiczne. Program badań eksperymentalnych obejmował badania napełniaczy oraz badania lepkości, rozszerzenia strugi i modułu zespolonego polimerów napełnionych. Wszystkie badania ograniczono do układów z niewielką zawartością ziaren napełniaczy (do 18% obj.), gdyż dla takich zawartości wpływ cech geometrycznych na własności reologiczne okazał się najistotniejszy. Jako osnowę polimerową wybrano polietylen i polistyren. Polimery te różnią się własnościami reologicznymi, ale podobnie oddziałują z wybranymi napełniaczami. Analiza uzyskanych wyników i modeli wskazuje, że średnica ziaren, współczynnik kształtu oraz powierzchnia właściwa napełniaczy istotnie wpływają na własności reologiczne polimerów napełnionych. Największy wpływ na wszystkie badane właściwości ma współczynnik kształtu. Im większe wartości przyjmuje współczynnik kształtu, tym mniejsza jest lepkość i rozszerzenie strugi i tym większe są wartości składowych modułu dynamicznego. Wyniki badania zachowania ziaren napełniaczy w czasie przepływu wskazują, że cechy geometryczne ziaren wpływają na ich orientację i migrację promieniową. Procesy te, a szczególnie orientacja ziaren, istotnie wpływają na własności reologiczne kompozytu. Zaproponowano model opisujący wpływ współczynnika kształtu ziaren zorientowanych zgodnie z kierunkiem przepływu na lepkość i rozszerzenie strugi. Uzyskano dobrą zgodność przewidywań modelu z wynikami eksperymentu. Wyniki przeprowadzonych badań i opracowane modele empiryczne mają również znaczenie utylitarne. Zgromadzona wiedza pozwala na przewidywanie własności reologicznych polimerów napełnionych na podstawie znajomości cech geometrycznych ziaren napełniaczy. Wyniki rozprawy mogą też być wykorzystane w projektowaniu narzędzi przetwórczych oraz w doborze parametrów technologicznych procesów przetwórstwa polimerów napełnionych.

---

The monograph deals with selected problems of filled polymer melts rheology. Attention is paid to relations between mineral filler particles geometry and rheological properties such as viscosity, die swell and dynamic modulus. Analysis of the present state of literature shows that the knowledge concerning relations between rheological properties of filled polymers and filler particles geometry is limited. It is sensible to investigate this problem in more detail and to elaborate empirical models describing quantitatively the influence of filler particles geometry on rheological characteristics. Research program comprised fillers properties investigations and viscosity, die swell and dynamic modulus of filled polymers investigations. The research was limited to low filler concentrations (up to 18% vol.) because in this range the influence of particle geometry on rheological properties was the most pronounced. Two polymers, polyethylene and polystyrene, were chosen as composites matrixes. These polymers exhibit different rheological behaviour but similar interactions with selected fillers. Analysis of experimental results and empirical models indicate that particle diameter, aspect ratio and specific surface have significant influence on rheological properties of filled polymers. Aspect ratio have the most pronounced influence on all investigated rheological properties. The higher are values of aspect ratio the lower is viscosity and die swell and higher are components of dynamic modulus. Results of investigation of filler particles behaviour during flow show that particle geometry influences orientation and lateral migration of particles. These processes, especially orientation, have significant effect on rheological properties. The model was proposed to describe relation between aspect ratio of particles oriented in the flow direction and viscosity and die swell. Good conformity between model predictions and experimental results was achieved. Achieved results and elaborated empirical models have also practical importance. Their knowledge enables estimation of rheological properties on the basic of filler particles geometry. The monograph results can also be applied in designing of polymer processing tools and in selection of technological parameters for processing of filled polymers.