Методички / 956

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГOD1fЛIOНF.IПIOO ~\~ УЧП)ЩIEI-IИЕ ILDIJEП)

пfolJEIllюн,\.1ы-кхо (П,\:OWПlЯ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕНJLАЯ АКАДЕМИЯ ТОН­

КОЙХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ им. М.В. ЛОМОНОСО­

ВА

Кафеара химии и технолоп1И переработки

n.;шстмасс и полимерных композитов

О.Б. Ушакова

ЛАБОРАТОРНЫЙ I1РАКТИК)'М

по курсу «Основы переработки пластмасс»

Часть 1

(учебво-метоДIt<lеское пособие)

Москва - 2005

http://www.mitht.ru/e-library

ББI< 74.58,

УДК 678(076)

Ушакова O.B~ дабораторвый npaпикум по курсу «Основы переработп ~c». Часть 1. М.: МИТХТ, 2005. - С.76

Рецензент: liроф. Буканов А.М.

ЛaбoparoрныlDJЩПИКYМ по курсу «Основы переработп IDЩ~­

масс (часть 1)>> пpeдR8ЗИачен ДJUI студентов 4 курса 6uaлaвpиата

направ.пеиии 550800 «ХимичесК8JI технология и биотеХВОЛОПUJ» и

студентов 5 курса специализации 250601 «ТехиолоГИJI изделий из

пластмасс и компОЗИцИОННЫХ материалов» jj~чsрне!'9 отделеllИJ[

ВИIЦ изучающих дисциплину «Основы перерабопи пластмасс».

http://www.mitht.ru/e-library

http://www.mitht.ru/e-library

Введение

Технологические свойства термопластов, как и других материа­

лов, определяют технологюо их переработки в изделия, выбор па­

раметров процесса переработки и качество готовых изделий.

К основным технологическим свойствам термопластов, опреде­

ляющим пригодность марки материала к переработке определен­

ным методом и технологические параметры переработки относятся

реологические свойства, термостабильность, удельный объем рас­

плава полимера.

1.РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ

ТЕРМОПЛАСТОВ.

Реологические свойства расплава - это комплекс характери­

стик, определяющих поведение расплава при деформировании,

зависимость между напряжениями, деформациями, температурой.

Реологические характеристики полимеров, полученные при

различных температурах и напряжениях сдвига, позволяют пра­

вильио выбрать метод переработки и рассчитать стадии процес-

сов переработки полимерного материала в изделие.

Основными методами формования термопластов являются

литье под давлением, экструзия. Все они реализуются через про­

цесс вязкого течения материала, которое является одним из ви-

дов деформирования - простым сдвигом. для перемещения

4

http://www.mitht.ru/e-library

макромолекул при течении надо преодолеть СИЛЫ межмолекуляр­

ного взаимодействия и изменить конформацию макромолекул.

При этом в полимере возникает сила внутреннего трения. величи­ на которой характеризуется коэффициентом вязкости или просто вязкостью 11 (Пас) 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 т (Па). а характеристикой скорости дефор-

мации - скорость деформации сдвига (или скорость сдвига) У•(с·)I .

Эти характеристики поведения расплава полимера при течении

связаны уравнением Оствальда - де Вилла:

называемым степенным уравнением течения, его графическая ин­ терпретация - кривой течения расплава полимера. Если расплав полимера обладает свойствами ньютоновской жидкости, то его вяз-

кость не зависит от напряжения сдвига и скорости сдвига, при этом

n - индекс течения - равен 1. Вязкость такого полимера является его

фи-зической константой как и у низкомолекулярных жидкостей. Та­

кими свойствами мотут обладать образцы полимеров С очень узким

молекулярно-массо-вым распределением (ММР = 1,02 +1,05).

Кривая течения такИХ расплавов и растворов в логарифмических

координатах представляет собой прямую линию с углом наклона

450 (рисунок 1).

http://www.mitht.ru/e-library

....

.; .

Рисунок 1 - Кривые течения НЪТОНОВСI<ИХ жидкостей:

низкомолекулярной (НМЖ) и высокомолекулярной (вмж).

Однако, расплавы ВМЖ обладают эластичностью и с ростом

напряжения сдвига наступает такой момент (критическое напряже·

ине сдвиг~ т.В на рисунке 1), когда рост эластической деформации

делает расплав настолько упругим, что он как резиновая пробка

кусками выталкивается из капилляра вискозиметра. Для 6олъшин·

ства расплавов критическое напряжение сдвига составляет (5 +6)

_105Па. Таким образом, кривая течения ВМЖ не может быть про·

должена при напряжениях выше 'Ткр, соответствующего моменту

"срьша струи"•

Течение НМЖ в ламинарном режиме прекращается при до­

стижении критической скорости сдвига, после чего критерий

Рейнольдса соответствует турбулентному характеру течения

(Re ~ 2300), наступает срът струи.

6

http://www.mitht.ru/e-library

Однако, расплавы почти всех промышленных полимеров отно-

сятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит

как от напряжения сдвига, так и скорости сдвига, а индекс течения

отлича-ется от 1(n #1). В зависимости от величины n различают

дила-тантные (n <1) и псевдопластичные (n> 1) жидкости (рису­ нок 2). Большинство расплавов полимеров при течении прояв­

ляют псевдопластичные свойства.

r•

'\ n<1

т

Рисунок 2 - Виды кривых течения полимеров

При известных значениях 'fи rдля расплава полимера рассчи-

тывается эффективная вязкость расплава (f/эф). характеризующая

одну точку на кривой течения и не являющаяся константой мате­

риала. Классические (полные) кривые течения полимерных систем

(рисунок 3) имеют три участка:

1 - участок наибольшей нъютоновской вязкости. На этом участке деформации сдвига очень невелики и интенсивности теплового движения макромолекул достаточно для того, чтобы успевала прой-

7

http://www.mitht.ru/e-library

ти деформации сдвига очень невелики и интенсивности теплового

движения макромолекул достаточно для того, чтобы успевала

пройти релаксация упругих напряжений, и течение происходит

при практически неизменной надмолекулярной структуре полимера.

Расплав ведет себя как ньютоновекая жидкость (Т) = const);

+'l""

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

11 - средний участок - носит название «структурной ветви». Он

описывает течение расплава полимера в условиях, когда проявляет­

ся аномалия вязкости: в полимере, из-за накопления упругих напря­

жений, которые не успевают релаксировать, перемещение сегмен-

тов прекращается при достижении своего 'Ткр для каждой фракции,

и чем выше молекулярная масса, тем ниже напряжения сдвига, при

которых это происходит. Часть полимера, для М8Кромолекул состав-

ляющих которую достигается 'Ткр, перестает участвовать в процес-

8

http://www.mitht.ru/e-library

се течения, Т.е. течение реализуется для фракций с меньшей моле­

кулярной массой, а ,следовательно, и меньшей вязкостью.

Постепенно из процесса течения выбывают макомолекулы всё

с меньшей ММ, а эффективная (кажущаяся) вязкость расплава

снижается.

111 - участок наименьшей ньютоновс:кой вязкости. При высо­

КИХ напряжениях сдвига и СКОРОСТЯХ сдвига вязкость растворов,

достигнув наименьшего значения 1"\ min (наименьmей нъютоновс­

кой вязкости) практически не меияется. НО ДЛЯ расплавов термо­

пластов такое явление ни:когда не наблюдается, так :как при гораз­

до меньших 't наступает момент «срыва струи», когда полимер

переходит в пробковый режим течения.

Влиянне температуры на ВЯЗКОСТЬ полимерного расплава (рису­

нок 4) описывается уравнением:

где А - константа материала;

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

Е - энергия активации ВЯЗКОГО течения (определяется при

't= const или i = const);

т -температура. К.

для оценки реологических свойств расплавов термопластов ис-

пользуют капиллярные или ротационные вискозиметры.

Полимерные расплавы обладают вязкоупругими свойствами, что

приводит К потерям энергии при перестройке профиля скоростей

9

http://www.mitht.ru/e-library

------------~~~./.---

r-{l.Il1u.i'}

1 -нъютоновская жидкость; 2 - псевдопластичная жидкость

Рисунок 4 Влияние напряжения сдвига (скорости сдвига)

на вязкость полимерных систем.

Рисунох 5 - Зависимость ВЯЗКОСТИ расплава полимера

от температуры.

при переходе расплава в капилляр из цилиндра вискозиметра и

при выходе струи расплава из хапилляра, а тахже к потере энергии

при образовании вихревых потоков в «мертвых» зонах при перехо-

10

http://www.mitht.ru/e-library