Методички / 1057

Издание учебное

Ушакова Ольга Борисовна

Лабораторный практикум по курсу « Основы технологии переработки пластмасс». Часть 1.

Учебно-методическое пособие.

Подписано в печать ________. Формат 60 х 90 /16.

Бумага писчая Отпечатано на ризографе. Уч. изд. листов

1,1. Тираж 100 экз. Заказ № _______

ГОУ ВПО «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова»

Издательско-полиграфический центр 119571 Москва, пр. Вернадского 86

52

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московская государственная академия тонкой химической технологии имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Кафедра химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов.

О.Б. УШАКОВА

Реологические свойства термопластов

Лабораторный практикум по курсу ОТПП. Часть 1.

Москва 2010

УДК 678(076)

ББК 74.58

У

Рецензент: к.т.н. проф. Буканов А.М. и

Рекомендовано к изданию кафедрой химии и технологии переработки пластмасс МИТХТ (протокол № 10 от 26.04.

2010)

План изданий поз № 293

Ушакова О.Б.

У… Реологические свойства термопластов. Лабораторный практикум по курсу ОТПП. Часть 1.

М.: МИТХТ, 2010. – с.52.

Утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В. Ломоносова в качестве учебно-мето- дического пособия по дисциплине «Основы технологии переработки пластмасс» для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология» и студентов специализации 250601 «Технология изделий из пластмасс и композиционных материалов». Может быть полезна аспирантам и слушателям ГИПК МИТХТ.

УДК 678(076)

ББК 74.58

©О.Б. Ушакова, 2010

©МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2010

Продолжение таблицы 1

Примечание - Диаметр всех капилляров 2 мм.

Приложение 3 - Рекомендуемые параметры переработки термопластов литьем под давлением

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 – Выбор условий определения реологических характеристик полимеров на капиллярном вискозиметре ИИРТ

1.1Кривые течения расплавов термопластов ……………. 4

1.2Показатель текучести расплава термопластов……….. 13

1.3Термостабильность расплавов термопластов.………... 18

3

Введение

Технологические свойства термопластов, как и других материалов, определяют технологию их переработки в изде-

лия, выбор параметров процесса переработки и качество го-

товых изделий.

К основным технологическим свойствам термопластов,

определяющим пригодность марки материала к переработке определенным методом и технологические параметры пере-

работки относятся показатель текучести расплава (ПТР),

зависимости «напряжение сдвига – скорость сдвига» при различных температурах, называемые кривыми течения,

термостабильность расплава и деформационные характерис-

тики расплава при одноосном растяжении.

1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ

ТЕРМОПЛАСТОВ

1.1 Кривые течения расплавов термопластов

Реологические свойства расплава – это комплекс харак-

теристик, определяющих поведение расплава при деформи-

ровании, зависимость между напряжениями, деформациями,

температурой.

4

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – Условия определения ПТР некоторых термопластов.

49

4.Как влажность материала влияет на термостабильность его расплава?

5.Как изменится термостабильность расплава при введениии в материал термостабилизаторов, теплопроводных или теп-

лоаккумулирующих наполнителей, при повышении вязкости расплава?

6. Приведите примеры модифицирующих добавок, повыша-

ющих термостабильность термопластов при переработке.

Поясните механизмы их действия.

7. Как можно спрогнозировать качество изделий, получае-

мых литьем под давлением (экструзией), зная температурно-

временные параметры процесса, паспортные данные лить-

евой машины (экструдера) и зависимость времени термоста-

бильности расплава от температуры?

Библиографический список к лабораторной работе № 3.

1.Основы технологии переработки пластмасс. Учебник для вузов./ С.В.Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. –

М.: Химия, 2004.- С. 146 – 151, 152 – 153, 157 – 159, 162 – 166.

2 Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. . Свойства и переработка термопластов: Справочное пособие. – Л.: Химия, 1983. –

С.140-190.

48

Реологические характеристики полимеров, полученные при различных температурах и напряжениях сдвига,

позволяют правильно выбрать метод переработки и рассчитать стадии процессов переработки полимерного

материала в изделие.

Основными методами формования термопластов явля-

ются литье под давлением, экструзия. Все они реализуются через процесс вязкого течения материала, которое является одним из видов деформирования – простым сдвигом. Для перемещения макромолекул при течении надо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия и изменить кон-

формацию макромолекул.

При этом в полимере возникает сила внутреннего трения,

величина которой характеризуется коэффициентом вязкости или просто вязкостью η (Па.с) расплава.

В результате действия приложенной к расплаву внешней силы происходит его деформация. Мерой сопротивления деформации при простом сдвиге являются касательные напряжения сдвига, или сдвиговые напряжения

τ (Па), а характеристикой скорости деформации – скорость деформации сдвига (или скорость сдвига) (с-1).

Эти характеристики поведения расплава полимера при течении связаны уравнением Оствальда - де Вила:

5

τ = η n , (1)

называемым степенным уравнением течения, его графичес-

кая интерпретация – кривой течения расплава полимера.

Исходя из уравнения (1), по абсциссе графика следует откладывать скорость сдвига, а по ординате – напряжения сдвига.

Если расплав полимера обладает свойствами ньютоновской жидкости, то его вязкость не зависит от напряжения сдвига и скорости сдвига, при этом п – индекс течения – равен 1. Вязкость такого полимера является его физической константой, как и у низкомолекулярных жидкостей. Такими свойствами могут обладать образцы полимеров с очень узким молекулярно-массовым распре-

делением (ММР = 1,02 1,05). Кривая течения таких распла-

вов и растворов в логарифмических координатах пред-

ставляет собой прямую линию с углом наклона

о

45 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Кривые течения ньтоновских жидкостей:

низкомолекулярной (нмж) и высокомолекулярной (вмж).

6

г – радиус капилляра, м; l – длина капилляра, м; Q – объемный расход через капилляр, см3/ с.

Занесите значения условной вязкости при каждом времени

прогрева в табл.1.

Рассчитайте отношение условной вязкости при каждом из времен прогрева к условной вязкости при 5 мин прогрева

(К1).

Постройте зависимость К1 от времени прогрева. Определите по этой зависимости время термостабильности.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе №3

1.Что характеризует время термостабильности расплава полимера? По каким критериям оно оценивается?

2.Как изменяется термостабильность расплава полимера с повышением температуры, интенсивности сдвигового воз-

действия?

3.Какой вид имеет зависимость « вязкость расплава – время прогрева» для материалов, деструктирующих при прогреве и для структурирующихся при прогреве? Приведите примеры материалов, отличающихся характером изменения структу-

ры при прогреве.

47

где - L – расстояние между метками, см; Sкам – площадь сечения камеры, см2; t - время истечения, с.

Внесите в табл.1 значения времени истечения и объем-

ной скорости истечения при каждом времени прогрева.

Постройте зависимости времени истечения от времени прогрева и объемной скорости истечения от времени про-

грева. Определите время термостабильности.

Поскольку снижение вязкость ведет к уменьшению времени истечения расплава через капилляр, то определив по полу-

ченным данным отношение времени истечения постоянного объема при каждом из времен прогрева ко времени истече-

ния при прогреве 5 мин (К) и построив график К = f ( τпрогр),

можно определить время термостабильности как время, при котором значение К станет либо больше 1,15, либо меньше

0,85.

3.11. Для п.п. 3,9 и 3,10 рассчитайте условную вязкость Ра-

сплава в условиях опыта при временах прогрева 5, 10, 15, 20

и 30 мин.

Однако, расплавы ВМЖ обладают эластичностью и с рос-том напряжения сдвига наступает такой момент (крити-

ческое напряжение сдвига, т.В на рисунке 1), когда рост элас-

тической деформации делает расплав настолько упругим, что он как резиновая пробка кусками выталкивается из капилляра вискозиметра.

Для большинства расплавов критическое напряжение сдвига составляет (5 6) 105Па. Таким образом, кривая течения ВМЖ не может быть продолжена при напряжениях выше τкр, соответствующего моменту “срыва струи”.

Течение НМЖ в ламинарном режиме прекращается при достижении критической скорости сдвига, после чего критерий Рейнольдса соответствует турбулентному характе-

ру течения (Re 2300), наступает срыв струи.

Однако, расплавы почти всех промышленных поли-

меров относятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит как от напряжения сдвига, так и скорости сдвига, а индекс течения отличается от I (n ≠1). В зависимос-

ти от величины nразличают дилатантные (n > 1) и псевдо пластичные (n<1) жидкости (рисунок 2). Для псевдоплас-

тичных жидкостей изменение скорости сдвига происходит быстрее, чем изменение напряжения сдвига. Большинство расплавов полимеров при течении проявляют псевдопластич

7

ные свойства. При известных значениях τ и для расплава полимера рассчитывается эффективная вязкость расплава

(ηэф ), характеризующая одну точку на кривой течения и не являющаяся константой материала.

Рисунок 2. Виды кривых течения полимеров

Классические (полные) кривые течения полимерных систем (рисунок 3) имеют три участка:

I – участок наибольшей ньютоновской вязкости. На этом участке деформации сдвига очень невелики и интен-

сивности теплового движения макромолекул достаточно для того, чтобы успевала пройти релаксация упругих напряже-

ний, и течение происходит при практически неизменной над-

молекулярной структуре полимера. Расплав ведет себя как ньютоновская жидкость (η = const);

II – средний участок – носит название «структурной ветви». Он описывает течение расплава полимера в условиях,

8

где R – внутренний радиус рабочего цилиндра прибора, см;

Результаты расчета занесите в таблицу 1.

Постройте график зависимости объемного расхода от вре-

мени прогрева. Определите по нему время термостабильнос-

ти расплава.

3.10. При оценке времени термостабильности по времени истечения постоянного объема после прогрева материала в цилиндре прибора в течение 5 мин. откройте заглушку кА-

пилляра, освободите груз из зажима и при достижении ниж-

ней меткой на хвостовике поршня верхней плоскости цилин-

дра включите секундомер. Засеките время перемещения верхней метки поршня до верхней плоскости цилиндра – это время истечения объема материала, равного произведе-

нию расстояния между метками на площадь сечения камеры.

После выдавливания остатка расплава и чистки камеры,

капилляра и штока, повторите измерения для новых загрузок полимера, прогревая его в камере до начала движения поршня 10,

15, 20 и 30 мин.

Расход рассчитывается как:

45

верки температуры цилиндра загружается новая порция ма-

териала в рабочий цилиндр и повторяются п.п. 3.5 – 3.7.

Заглушку капилляра открывают после прогрева матери-

ала в течение времени на 1 - 2 минуты меньшего, чем время прогрева, соответствующее послед нему срезу экструдата в первой загрузке. Максимальное время прогрева 30 мин. для сокращения объема работы можно срезать по 5 экструдатов

(время их продавливания 15-30с) с интервалом в 5 мин. 3.9.При использовании объемного метода при достижении нижней меткой поверхности рабочего цилиндра приведите индикатор перемещения часового типа в рабочее положение,

установив его в контакте с наконечником поршня или по-

верхностью грузов, установленных на поршне. Стрелка ин-

диикатора должна стоять на делении «0». После этого фик-

сируется по индикатору положение поршня через равные промежутки времени (каждые 15 с или 30 с). Секундомер не выключается, т.к. время прогрева замеряется с начала опыта.

Если скорость истечения расплава значительна, то можно определять время перемещения стрелки индикатора на оди-

наковое число делений, а затем рассчитать скорость переме-

щения поршня как число делений в секунду.

Замеры ведутся до момента достижения верхней меткой на

поршне плоскости рабочего цилиндра.

44

Рисунок 3 – Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига для полимерных систем (полная кривая течения)

когда проявляется аномалия вязкости: в полимере, из-за на-

копления упругих напряжений, которые не успевают релак-

сировать, перемещение сегментов прекращается при дости-

жении своего τкр для каждой фракции, и чем выше молеку-

лярная масса, тем ниже напряжения сдвига, при которых это происходит. Часть полимера, для макромолекул составляю-

щих которую достигается τкр, перестает участвовать в про-

цессе течения, т.е. течение реализуется для фракций с мень-

шей молекулярной массой, а, следовательно, и меньшей вязкостью.

Постепенно из процесса течения выбывают макомоле-

кулы всё с меньшей ММ, а эффективная (кажущаяся) вяз-

кость расплава снижается.

9

III – участок наименьшей ньютоновской вязкости.

При высоких напряжениях сдвига (и скоростях сдвига) вяз-

кость растворов, достигнув наименьшего значения ηmin (на-

именьшей ньютоновcкой вязкости) практически не меняется.

Но для расплавов термопластов такое явление никогда не наблюдается, так как при гораздо меньших τ наступает мо-

мент «срыва струи», когда полимер переходит в пробковый режим течения.

Влияние температуры на вязкость полимерного расплава (рисунок 4) описывается уравнением:

где А – константа материала;

R= 8,3 Дж/моль – универсальная газовая постоянная;

Е– энергия активации вязкого течения (определяется при

τ = соnst или = соnst);

Т – температура, К.

Для оценки реологических свойств расплавов термо-

пластов используют капиллярные или ротационные вискози-

метры.

Полимерные расплавы обладают вязкоупругими свой-

ствами, что приводит к потерям энергии при перестройке профиля скоростей (в основном) при переходе расплава в

капилляр из цилиндра вискозиметра и при выходе струи

10

3.7. При определении времени термостабильности весовым методом при достижении нижней меткой на хвостовике пор-

шня верхней плоскости рабочей камеры расплав, вытекший из капилляра срезается лопаткой, а далее через 15 с или 30 с

срезаются экструдаты. Экструдаты укладываются на тепло-

изолирующую подставку в порядке срезания. Время прогре-

ва расплава до срезания каждого экструдата (τi) отсчитыва-

ется с момента включения секундомера, т.е. τi = τ0 + ∆τ ,

где ∆τ – интервал времени, равный времени перемещения поршня до момента срезания экструдата. Значения τi вно-

сятся в таблицу 1.

Последний экструдат срезается при опускании поршня до верхней метки. После замеров остаток расплава должен быть удален из рабочего цилиндра прибора, цилиндр, шток и капилляр вычищены до блеска хлопчатобумажной тканью.

Остывшие экструдаты взвешиваются на аналитических весах с точностью до 0,001г. Масса экструдатов (mi) записы-

вается в таблицу 1 в порядке их срезания. При этом каждая mi соответствует τ I Постройте график зависимости mi от τi и

определите время термостабильности (τт.с.).

3.8. Если время прогрева расплава при одной загрузке оказы-

вается меньше времени термостабильности, то после про-

43