To examine the processability of four commercial grades of the domestic polystyrenes (GP125, GP150, HI425 and HI425E) in the vicinity of the actual processing conditions, the steady shear flow properties such as viscosity(η), first normal stress difference($N_1$) and second normal stress difference($N_2$) were measured by use of a capillary type instrument.
For the study, a capillary rheometer equipped with a computer system was constructed, and the rheological properties were measured and discussed in terms of viscosity, two normal stress differences($N_1$ and $N_2$) and the dynamic properties by a parallel plate type instrument.
All grades of polystyrene showed a non-Newtonian flow properties over the range of shear rates investigated. In general, HI grades showed slightly higher melt viscosities than GP grades. The viscosity data also suggested that the use of a melt index as a parameter for the polymer fluidity turned out errorneous in actual polymer processing because the difference in pseudoplasticity could give very different behavior in other range of shear rates and different temperatures.
An inspection of $N_1$ and $N_2$ revealed that GP grades showed higher melt elasticity than HI grades and the ratio of $-N_2/N_1$ lay between 0.14 and 0.72 for the four grades of polystyrene observed.
Comparison of capillary rheometer data with the dynamic data yielded a close analogy. That is, the shapes of viscosity curves and the dynamic viscosity curves were similar and in the same range. However, the shapes of $N_1$ curves and the dynamic storage modulus curves showed some discrepancy at the high range of shear rates or frequencies. This difference should be studied further in the future.
현재 국내에서 생산되고 있는 두 종류의 일반용 폴리스티렌과 두 종류의 내충격용 폴리스티렌의 유성학적 특성을 관형 레오메터로 측정했다. 레오메터는 압출기, 다이, transducer 등으로 구성되었고 실험 온도는 200℃, 220℃, 240℃ 전단속도는 $20sec^{-1}-1100 sec^{-1}$ 범위에서 실험하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
1) 관형 레오메터가 용융 폴리스티렌의 유성학적 특성치를 측정하는데 사용될 수 있었으며 이론적 근거에 의하여 정상흐름 영역에서 축방향의 전단응력을 측정함으로 점성과 탄성의 계산이 가능하였다.
즉, 점도는 축방향의 압력경사를 측정함에 의해, 탄성은 축방향의 압력경사로부터 외삽에 의해 구한 다이 끝부분의 출구압력에서 각각 얻어졌다.
2) 관찰한 전단속도 구간에서 측정된 점도는 전형적인 pseudoplasticity 를 나타냈으며, 전단속도 $800sec^{-1}$ 이상에서는 거의 같은 점도로 수렴하고 있다. 이것으로부터, 고분자 쇄의 풀림과 배향이 일어나는 높은 전단속도에서는 기본적인 화학구조가 점도에 미치는 제일 중요한 인자임을 알 수 있었다.
3) 측정된 고분자 용융물의 탄성거동은 두 종류의 법선 응력차에 의해 특성 지워졌다. 제1법선 응력차와 전단 속도의 상관관계는 점도와 유사하게 온도 의존성을 보였다. 그러나 전단속도 대신에 전단응력을 사용하여 비교한 결과 온도에 무관한 결과를 얻을 수 있었으며, 4종의 폴리스티렌간의 직접적인 탄성 비교가 가능하였다. 본 실험의 결과는 두 종류의 일반용 폴리스티렌이 두 종의 내충격용 폴리스티렌보다 높은 탄성을 나타내고 있었다.
4) 제2법선 응력차는 음의 값을 가지며, 그 값은 제1법선 응력차의 14-72% 였다. 제1법선 응력차에 대한 제2법선 응력차의 비는 일반용 폴리스티렌이 0.14-0.32 범위에 있었고, 내충격용 폴리스티렌이 0.30-0.72 범위에 있었다. 즉, 제2법선 응력차에서도 그 크기에서 일반용 폴리스티렌이 내충격용 폴리스티렌보다 높게 나타났으며, 이로써 제2법선 응력차도 탄성의 척도로 쓸 수 있음을 알았다.
5) 제1, 제2 법선 응력차는 전단응력 $2\times10^4-1.3\times10^5N/m^2$의 범위에서 다음과 같은 지수 법칙이 잘 적용됨을 알았다.
$N_1 = a(\tau w)^b$
$-N_2 = a'(\tau w)^b'$
지수 b 의 범위는 일반용 수지가 0.88-1.18을 나타냈고 내충격용 수지는 0.47-4.49를 나타냈다. 지수 b' 는 2종의 수지에 대해 1.023-1.057 범위에 있음을 알았다.
6) 고정된 온도에서 고정된 응력에 대한 점도를 나타내는 용융지수는 실제 가공조건에서 고분자 용융물의 유동도를 판단하기에는 미흡함을 알 수 있었다. 이유는, 용융지수를 측정하는 전단속도의 범위가 너무 낮아서 (본 연구에서는 $60 sec^{-1}$ 이하였다.) 수백 $sec^{-1}$ 이상의 실제 가공조건 에서는 적용할 수 없기 때문이고 가공 온도도 고정되어 있지 않기 때문이다. 즉 4종류의 폴리스티렌의 용융지수는 각각 다를지라도 거의 하나의 점도 곡선에 포함되고 있었으며, 실험적으로도 유사한 흐름성을 주고 있음이 증명 되었다.
7) 정상상태 흐름인 관형 데이터와 Rheometrics Dynamic Spectrometer 로 구한 동적 데이터의 비고에서 두 가지 측정방법 모두가 실측된 전단속도나 주파수 범위에서 좋은 점도의 일치를 보였다. 그러나 탄성에 있어서는 약간의 차이를 보였는데 관형 데이터인 제1법선 응력차와 동적 데이터인 전단 모듈러스 비교는 실측된 전단속도 및 주파수 범위에서 약간의 차이를 나타내고 있었다. 이것은 탄성의 절대치를 측정하는 방법이 아직은 이론적으로 미흡하며, 관형 데이터에 포함된 관형 입구에서의 연신흐름 효과가 작용하는 것으로 추정되나, 이의 정량적인 영향은 앞으로 좋은 연구 과제라 생각된다.
