Viskositeetin hallintaan käytettävät lisäaineet polymeerien prosessoinnissa

Abstract

Työssä tarkastellaan viskositeetin hallintaan käytettäviä lisäaineita polymeerien prosessoinnissa. Viskositeetti on tärkeässä roolissa polymeerien prosessoinnissa, mikä tekee myös sen hallitsemisesta oleellista. Viskositeettia voidaan hallita lisäaineiden lisäksi esimerkiksi lämpötilan, leikkausnopeuden, sekä paineen avulla. Lisäaineiden käyttö kuitenkin vaikuttaa viskositeetin ohella yleisesti myös materiaalin muihin ominaisuuksiin, minkä vuoksi on tärkeää osata ennustaa muutoksia niin viskositeetissa kuin muissakin ominaisuuksissa. Työn tavoitteena oli selvittää viskositeetin hallintaan käytettäviä lisäaineluokkia sekä niiden viskositeettia säätelevien mekanismien teoreettiset pohjat. Lisäksi haluttiin selvittää eri lisäaineluokkien vaikutus muovin muihin ominaisuuksiin. Tutkimus suoritettiin kirjallisuuskatsauksena.

Työssä perehdytään aluksi polymeerien rakenteeseen sekä niiden viskoelastisen käyttäytymisen molekulaariseen taustaan. Viskositeetin ymmärtämiseksi työssä esitellään polymeeriketjujen itsediffuusiota, sekä polymeerin rakennetta ja sen osallisuutta polymeerisulan käyttäytymisen määrittymisessä. Työssä esitellään viskoelastisten materiaalien tärkeimmät viskositeettia kuvaavat yhtälöt, sekä niiden teoreettinen tausta. Esimerkiksi tärkeitä esiteltyjä konsepteja ovat leikkausoheneminen sekä viskositeetin riippuvuus moolimassasta ja kriittinen moolimassa.

Työssä käsitellään pehmittimien, täyteaineiden, nanopartikkelien, metallisten stearaattien, rasvahappojen, nestekidepolymeerien sekä ylikriittisten fluidien vaikutusta polymeerin viskositeettiin. Työssä kuvataan lisäaineluokkien yleiset piirteet, toimintaperiaatteet sekä vaikutukset polymeerin ominaisuuksiin. Käsiteltyjen lisäaineiden kyky pienentää viskositeettia aiheutuu yleisesti polymeeriketjujen välisten vuorovaikutusten heikkenemisestä sekä kietoutumien vähenemisestä. Nanopartikkeleille mekanismiksi ehdotetaan kirjallisuuden perusteella kaksinkertaista reptaatiota, ja nestekidepolymeereille orientoitumisen tehostamaa virtausta. Täyteaineiden viskositeettia nostava vaikutus johtuu ketjuille asetetuista lisäesteistä, sekä lisääntyneistä vuorovaikutuksista.

Metallisten stearaattien, rasvahappojen, nestekidepolymeerien, sekä pienillä konsentraatioilla nanopartikkelien vaikutus polymeerin muihin ominaisuuksiin viskositeetin ohella todettiin pieneksi. Ylikriittiset fluidit eivät vaikuta itsessään lainkaan mekaanisiin ominaisuuksiin, sillä ne poistuvat prosessoinnin jälkeen polymeeristä. Lujittavien täyteaineiden huomattiin nostavan lujuutta ja jäykkyyttä, sekä alentavan sitkeyttä. Pehmittimien todettiin laskevan lasisiirtymälämpötilaa, moduulia ja jäykkyyttä, sekä nostavan sitkeyttä ja joustavuutta.