Ciecze nienewtonowskie charakterystyka, mechanizmy i zastosowania z uwzględnieniem polimerów i tworzyw sztucznych

Ciecze nienewtonowskie stanowią grupę układów reologicznych, których właściwości lepkościowe odbiegają od klasycznych praw sformułowanych przez Newtona. Do tej grupy należą m.in. roztwory i stopione tworzywa polimerowe, zawiesiny oraz emulsje. W klasycznym ujęciu Isaac Newton opisał ciecze jako układy, w których lepkość jest stała i niezależna od szybkości ścinania. Jednakże wiele układów rzeczywistych nie spełnia tego założenia, ponieważ ich lepkość zmienia się w zależności od warunków przepływu. Takie substancje określa się mianem cieczy nienewtonowskich.

Do grupy tej należą zarówno układy naturalne, takie jak krew czy ślina, jak i substancje przemysłowe, w tym roztwory polimerów, stopione tworzywa sztuczne, farby czy zawiesiny mineralne. Szczególnie istotną rolę w badaniach nad cieczami nienewtonowskimi odgrywają polimery, które dzięki swojej makrocząsteczkowej strukturze wykazują silnie nieliniowe zachowanie reologiczne.

Ciecze nienewtonowskie to substancje, których lepkość nie pozostaje stała, lecz zmienia się w zależności od warunków przepływu, w szczególności od szybkości ścinania, czasu działania siły lub historii odkształcenia. W odróżnieniu od cieczy newtonowskich (np. wody czy powietrza), w których naprężenie ścinające jest proporcjonalne do gradientu prędkości, ciecze nienewtonowskie wykazują nieliniową zależność pomiędzy tymi wielkościami.

Reologia polimerów w wytłaczaniu: lepkość, wiskoelastyczność i dobór wytłaczarki

Podstawy reologii dla wytłaczania: τ, γ̇ i lepkość pozorna

W wytłaczaniu pracujesz na stopie polimeru, który jest najczęściej cieczą nienewtonowską i wiskoelastyczną. Trzy pojęcia wystarczą, by czytać proces:

• naprężenie ścinające (τ) – „siła tarcia” w przepływie,
• szybkość ścinania (γ̇) – jak intensywnie materiał jest ścinany (w kanałach, szczelinach, w dyszy),
• lepkość pozorna (η) – w uproszczeniu η = τ/γ̇, ale w polimerach η zależy od γ̇ oraz temperatury.

Shear-thinning stopów polimerów: dlaczego lepkość spada pod ścinaniem

Większość stopów polimerowych jest pseudoplastyczna (shear-thinning): gdy rośnie szybkość ścinania, lepkość spada. Dzieje się tak, bo łańcuchy polimerowe: orientują się wzdłuż przepływu, a splątania częściowo „rozplątują się” w skali czasu przepływu.

• Plus dla wytłaczania: łatwiej utrzymać wysoką wydajność przy rozsądnym ciśnieniu.
• Ryzyko: w różnych elementach układu (filtr, kanały głowicy, dysza) shear-thinning bywa różny → zmienia się rozkład spadków ciśnienia.

Wiskoelastyczność: sprężystość stopu i jej skutki w procesie

Stop polimeru nie jest „czystą cieczą” – ma część sprężystą. Jeśli materiał nie zdąży się zrelaksować, pojawiają się efekty sprężyste: naprężenia normalne, pęcznienie strugi i większa wrażliwość na geometrię przepływu.

Co to oznacza dla jakości wyrobu?

• większa tendencja do die swell (wytłoczyna „wychodzi większa” niż otwór narzędzia),
• większa wrażliwość wymiaru na temperaturę stopu i czas przebywania,
• większe znaczenie projektu głowicy i kalibracji/chłodzenia.

Temperatura stopu vs lepkość: najczęstszy powód wahań ciśnienia

W praktyce produkcyjnej największa część „problemów reologicznych” to tak naprawdę wahania temperatury stopu. Lepkość stopu silnie zależy od T, więc nawet niewielka zmiana temperatury może spowodować: wzrost/spadek ciśnienia przed głowicą, zmianę wydajności oraz wahania wymiarów.

Przepływ w ślimaku, filtrze i głowicy: gdzie „robi się” spadek ciśnienia

Wytłaczanie to układ oporów przepływu. Reologia stopu decyduje, ile ciśnienia potrzebujesz, by przepchnąć materiał przez:

• ślimak i strefę budowy ciśnienia (kanały ślimaka + ewentualne elementy mieszające),
• filtrację (sitopakiet / filtr – często „wąskie gardło” przy zanieczyszczeniach lub złej dyspersji),
• głowicę i dyszę (kanały, szczeliny, rozdział strumienia, strefy rozciągania).

Jeśli rośnie lepkość (np. przez spadek T stopu) – ciśnienie rośnie. Jeśli rośnie opór filtracji – ciśnienie rośnie, nawet gdy lepkość jest bez zmian. Dlatego diagnostyka musi rozróżniać „reologię materiału” od „oporu układu”.

SSE vs TSE: dobór wytłaczarki do materiału i celu procesu

Wytłaczarka jednoślimakowa (SSE)

• Najlepsza do: stabilnego formowania profili, rur, folii, filamentu – gdy materiał jest jednorodny.
• Mocna strona: powtarzalność i stabilność przepływu przy dobrze dobranej geometrii ślimaka.
• Ograniczenie: gdy trzeba intensywnie mieszać wiele składników i kontrolować dyspersję – SSE może nie wystarczyć.

Wytłaczarka dwuślimakowa (TSE)

• Najlepsza do: compoundingu, masterbatchy, kompozytów, mieszanek z wypełniaczami i włóknami.
• Mocna strona: sterowalne, intensywne mieszanie dystrybutywne i dyspersyjne (konfiguracja segmentów).
• Efekt reologiczny: lepsza dyspersja dodatków często stabilizuje reologię i zmniejsza wahania procesu.

Zjawiska kluczowe: die swell, naprężenia normalne, stabilność wymiarów

Die swell (efekt Barusa)

Po wyjściu z dyszy stop może pęcznieć – przekrój wytłoczyny jest większy niż przekrój otworu. To skutek sprężystej relaksacji łańcuchów po opuszczeniu kanału przepływu. W procesie oznacza to konieczność: kalibracji, kontroli chłodzenia i świadomego projektowania narzędzia.

Naprężenia normalne i przepływy rozciągające

W polimerach liczą się nie tylko naprężenia ścinające. W strefach zmiany przekroju i rozdziału strumienia pojawiają się komponenty rozciągania, a wiskoelastyczność stopu zwiększa wrażliwość na geometrię. Dlatego projekt głowicy i warunki procesu mogą „robić” jakość powierzchni i stabilność wymiarów.

Problemy procesowe i szybka diagnostyka reologiczna

• Skoki ciśnienia przed głowicą: najpierw sprawdź temperaturę stopu (trend), potem filtrację (trend ΔP na filtrze), potem dozowanie.
• Wahania wymiaru: często wynikają z wahań T stopu, die swell i relaksacji + niestabilnego chłodzenia/kalibracji.
• Wzrost oporu filtracji: zanieczyszczenia, zbyt słaba dyspersja dodatków, degradacja, zbyt niska T stopu.
• Problemy powierzchni: często korelują z warunkami w dyszy (T, prędkość, geometria) i sprężystością stopu.

Checklista doboru procesu i wytłaczarki

• Materiał: typ polimeru, dodatki, wypełniacze, wilgotność, stabilność termiczna.
• Produkt: profil/rura/folia/filament/granulat – i krytyczne tolerancje wymiarowe.
• Wydajność: zakres kg/h oraz dopuszczalne okno ciśnień i temperatur.
• Reologia w praktyce: shear-thinning, wiskoelastyczność, podatność na die swell, wrażliwość lepkości na T.
• Układ oporów: filtracja, długość i geometria głowicy, szczeliny kanałów, stabilizacja i chłodzenie.
• Wybór SSE/TSE: formowanie stabilne (SSE) vs mieszanie/compound (TSE) + wymagania dyspersji.

FAQ

Czy stopione tworzywa sztuczne są cieczami nienewtonowskimi?

Tak – większość stopów polimerowych wykazuje shear-thinning i wiskoelastyczność, bo łańcuchy polimerowe ulegają orientacji i relaksacji w czasie przepływu.

Dlaczego przy tej samej nastawie temperatury ciśnienie potrafi się zmieniać?

Bo liczy się rzeczywista temperatura stopu (bilans energii + ścinanie), a nie tylko nastawa stref. Dodatkowo rosnący opór filtracji lub zmiana dyspersji dodatków także podnosi ciśnienie.

Kiedy TSE jest „konieczne”, a nie tylko „fajne”?

Gdy kluczowa jest jakość mieszania i dyspersji (np. wypełniacze, włókna, pigmenty, masterbatch), a stabilna reologia i jednorodność mają bezpośredni wpływ na proces i parametry produktu.