ASTM D4440: Tính chất cơ học động và lưu biến nóng chảy của chất dẻo

ASTM D4440 là tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế do ASTM International ban hành, quy định phương pháp xác định và báo cáo các tính chất cơ học động (nhớt đàn hồi) của polyme ở trạng thái nóng chảy. Tiêu chuẩn này tập trung vào phép đo lưu biến cắt dao động thay vì phép đo ở chế độ quay liên tục, đồng thời quy định quy trình xác định các đại lượng như độ nhớt phức và mô đun động. Các thông số này là cơ sở để đặc trưng vật liệu nhiệt dẻo và được sử dụng rộng rãi trong khoa học polyme, kỹ thuật vật liệu và gia công công nghiệp. 

Phạm vi áp dụng của ASTM D4440 rất tương đồng với ISO 6721-10. Tiêu chuẩn này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa điều kiện gia công polyme nóng chảy. Tiêu chuẩn quy định phương pháp thử trong đó mẫu polyme nóng chảy chịu biến dạng dao động cưỡng bức, không cộng hưởng. Trong ngữ cảnh này, “cưỡng bức” có nghĩa là biến dạng được thiết bị đo (thường là lưu biến kế quay) chủ động áp đặt thay vì phát sinh từ dao động tự nhiên của vật liệu. Biến dạng áp đặt thường có dạng hình sin; phép đo có thể được điều khiển theo biến dạng hoặc ứng suất.

Thuật ngữ “không cộng hưởng” cho biết phép đo được thực hiện ở các tần số cách xa các tần số riêng của hệ thiết bị–mẫu. Điều này bảo đảm đáp ứng thu được phản ánh các đặc tính nội tại của vật liệu thay vì chịu ảnh hưởng của quán tính hoặc các yếu tố cơ học do cộng hưởng. Nhờ đó, phương pháp này cho phép xác định riêng đáp ứng nhớt đàn hồi của polyme nóng chảy trong các điều kiện thử được xác định rõ.

Phương pháp này có độ nhạy cao, cho phép thu thập thông tin về đáp ứng cơ học của polyme nóng chảy trong phạm vi rộng về tần số (thường từ 0,01 Hz đến 100 Hz), thang thời gian và biên độ biến dạng. Phép thử có thể được thực hiện trong điều kiện đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi) hoặc trong quá trình quét nhiệt độ, qua đó cho phép nghiên cứu ứng xử lưu biến theo nhiệt độ. 

Mô đun tích trữ đặc trưng cho thành phần đàn hồi (năng lượng được tích trữ), còn mô đun tổn hao đặc trưng cho thành phần nhớt (năng lượng bị tiêu tán). Các đại lượng này được định nghĩa như sau:

$G' = \frac{\sigma_0}{\gamma_0}\cos\delta, G'' = \frac{\sigma_0}{\gamma_0}\sin\delta$

Mô đun phức được xác định theo công thức:

$G^* = G' + iG''$

và độ nhớt phức được xác định như sau:

$\eta^* = \frac{G^*}{\omega}$

Các đại lượng này cho phép mô tả toàn diện đặc tính nhớt đàn hồi của polyme ở trạng thái nóng chảy trong miền nhớt đàn hồi tuyến tính. Đặc biệt, tỷ số $\tan(\delta) = \frac{G''}{G'}$ thường được sử dụng để định lượng mức độ chi phối tương đối của thành phần nhớt so với thành phần đàn hồi.

Có thể sử dụng các cấu hình đo phù hợp, chẳng hạn như nón-đĩa hoặc đĩa song song, để thực hiện các phép đo này. Nếu xảy ra hiện tượng trượt tại bề mặt tiếp xúc (trượt thành), có thể sử dụng cấu hình đo có bề mặt khía để giảm thiểu ảnh hưởng. 

Thiết bị phải được trang bị các cảm biến có khả năng đo các thông số thí nghiệm phụ thuộc và độc lập với độ chính xác theo yêu cầu: nhiệt độ ±1 °C, tần số ±1 %, biến dạng ±1 % và lực ±1 %. Hệ thống kiểm soát nhiệt độ đặc biệt quan trọng vì cho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ mẫu trong quá trình gia nhiệt hoặc làm nguội theo chương trình từng bước hoặc quét nhiệt liên tục, đồng thời cho phép thổi quét bằng không khí hoặc khí trơ để kiểm soát môi trường đo. Kiểm soát môi trường khí là yếu tố thiết yếu để hạn chế sự phân hủy do oxy hóa nhiệt, vốn có thể ảnh hưởng đến polyme nóng chảy ở nhiệt độ cao. Các điều kiện này thường được áp dụng trong phép đo lưu biến vì mô phỏng sát môi trường gia công công nghiệp.

Quy trình quy định trong ASTM D4440 bao gồm một số bước quan trọng nhằm bảo đảm khả năng tái lập của phép đo:

• Trước tiên, khe đo của lưu biến kế được hiệu chuẩn và điều chỉnh để bù cho sự giãn nở nhiệt của hệ đo. Bước này đặc biệt cần thiết khi thực hiện phép quét nhiệt độ có mức biến thiên nhiệt lớn. 
• Đặt mẫu polyme nóng chảy có tính đại diện giữa hai bề mặt đo, bảo đảm mẫu phân bố đều và giảm thiểu không khí bị cuốn vào. Mẫu phải đồng nhất và có tính đại diện. 
• Kiểm soát độ dày mẫu (thường từ 1 mm đến 3 mm đối với hệ đo đĩa song song) và cắt bỏ phần vật liệu dư. 
• Có thể tiến hành phép đo trong điều kiện đẳng nhiệt hoặc với nhiệt độ biến thiên có kiểm soát để mô phỏng điều kiện gia công. 
• Áp dụng biến dạng dao động trong vùng nhớt đàn hồi tuyến tính, thường được xác định bằng phép quét biến dạng. 
• Sau đó, thực hiện phép quét tần số, quét biên độ biến dạng hoặc quét nhiệt độ để thu được phổ nhớt đàn hồi. 

Quy trình nhấn mạnh việc duy trì nhiệt độ ổn định và tránh để polyme bị phân hủy trong quá trình thử nghiệm. Như đã đề cập, khả năng tạo môi trường khí trơ đóng vai trò thiết yếu khi thử nghiệm các mẫu dễ bị phân hủy do oxy hóa nhiệt. 

• Số lượng mẫu thử và độ biến thiên giữa các lần thử 
• Biểu đồ thể hiện các tính chất lưu biến theo tần số, nhiệt độ hoặc thời gian 

Báo cáo đầy đủ là yêu cầu thiết yếu vì sự khác biệt về điều kiện thử nghiệm có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất lưu biến đo được.

Độ chụm của ASTM D4440 đã được đánh giá thông qua các nghiên cứu liên phòng thí nghiệm được tiến hành theo quy trình quy định trong ASTM E691. 

Các nghiên cứu này đánh giá cả độ lặp lại (trong cùng một phòng thí nghiệm) và độ tái lập (giữa các phòng thí nghiệm khác nhau):

• Độ lặp lại (r): Xác định mức chênh lệch có thể chấp nhận giữa hai kết quả thu được trong cùng điều kiện tại cùng một phòng thí nghiệm.
• Độ tái lập (R): Xác định mức chênh lệch có thể chấp nhận giữa các kết quả thu được tại các phòng thí nghiệm khác nhau.

Tiêu chuẩn này cung cấp số liệu thống kê của một số vật liệu được thử nghiệm ở các tần số và nhiệt độ khác nhau, cho thấy mức độ biến thiên phụ thuộc vào cả đặc tính vật liệu lẫn điều kiện thử nghiệm.

Do không có giá trị tham chiếu được chấp nhận để xác định độ chệch, nên không thể định lượng độ chệch của phương pháp này.

Ngoài ra, phương pháp này nhạy với những thay đổi trong công thức phối liệu, chẳng hạn như sự có mặt của chất độn, chất hóa dẻo và chất ổn định, do các thành phần này có thể làm thay đổi đặc tính lưu biến nóng chảy và khả năng gia công. 

Do đó, phương pháp này đặc biệt hữu ích để đánh giá các đặc tính kỹ thuật sau: 

• Độ nhớt phức của polyme nóng chảy trong phép thử cắt dao động cưỡng bức
• Độ nhớt trong quá trình gia công, bao gồm độ nhớt tối thiểu và sự thay đổi độ nhớt theo các thông số thử nghiệm 
• Ảnh hưởng của quá trình gia công
• Các đặc tính ứng xử tương đối của polyme, bao gồm độ nhớt và khả năng giảm chấn
• Ảnh hưởng của các phụ gia trong công thức phối liệu

Phương pháp thử theo ASTM D4440 được ứng dụng rộng rãi trong gia công polyme và phát triển vật liệu. 

Phương pháp này đặc biệt phù hợp để:

• Tối ưu hóa các điều kiện gia công như đùn, ép phun và thổi màng 
• Kiểm soát chất lượng nguyên liệu và thành phẩm 
• Đánh giá độ ổn định nhiệt và đặc tính phân hủy 
• Đặc trưng hóa đáp ứng nhớt đàn hồi phục vụ thiết kế kỹ thuật 

Do chỉ yêu cầu lượng mẫu nhỏ, phương pháp này cũng phù hợp với các ứng dụng nghiên cứu và sàng lọc vật liệu ở giai đoạn đầu.

Mặc dù ASTM D4440 cung cấp một khuôn khổ tiêu chuẩn hóa, kết quả vẫn chịu ảnh hưởng đáng kể của các điều kiện thử nghiệm như kiểm soát nhiệt độ, chuẩn bị mẫu và lựa chọn hình học đo. Những sai lệch nhỏ ở các thông số này có thể dẫn đến khác biệt giữa các phòng thí nghiệm. Vì vậy, tiêu chuẩn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc báo cáo chi tiết các điều kiện thử nghiệm để bảo đảm khả năng so sánh giữa các kết quả. Độ lặp lại và độ tái lập đã được đánh giá thông qua các nghiên cứu liên phòng thí nghiệm, qua đó cho thấy sự cần thiết phải hiệu chuẩn kỹ lưỡng và áp dụng nhất quán phương pháp thử.

ASTM D4440 là tiêu chuẩn nền tảng để xác định đặc tính lưu biến của polyme ở trạng thái nóng chảy bằng phương pháp phân tích cơ học động. Với phương pháp nhất quán để đo các tính chất nhớt đàn hồi dưới tác động của phép cắt dao động, tiêu chuẩn này giúp làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của polyme cũng như ứng xử của vật liệu trong quá trình gia công. Sự kết hợp giữa lý thuyết lưu biến và các kỹ thuật đo lường thực tiễn giúp tiêu chuẩn này trở thành công cụ thiết yếu trong cả công nghiệp và học thuật. Việc tiếp tục áp dụng ASTM D4440 góp phần bảo đảm độ tái lập, thúc đẩy quá trình tiêu chuẩn hóa và sự phát triển của khoa học polyme.

ASTM International (2008) ASTM D4440 – Phương pháp thử tiêu chuẩn đối với chất dẻo: Tính chất cơ học động: Lưu biến học nóng chảy. West Conshohocken, PA: ASTM International. 

ASTM International (2008) ASTM D4065 – Quy trình thực hành tiêu chuẩn đối với chất dẻo: Tính chất cơ học động: Xác định và báo cáo quy trình. West Conshohocken, PA: ASTM International.

Ferry, J.D. (1980) Tính chất nhớt đàn hồi của polyme. Ấn bản thứ ba. New York: Wiley.

Macosko, C.W. (1994) Lưu biến học: Nguyên lý, phép đo và ứng dụng. New York: Wiley.

ISO (1997) ISO 6721-10: Chất dẻo — Xác định tính chất cơ học động — Phần 10: Độ nhớt trượt phức bằng lưu biến kế dao động tấm song song. Geneva: Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế.