3. Реологічні випробування термопластів

Полімери, в основному, представляють собою в’язкопружні тіла, які містять надмолекулярні структури, що зумовлюють прояв високоеластичності. При переробці (формуванні) завжди відбувається руйнування цих структур, якими б малими не були напруження та швидкість зсуву. Реологічні випробування покладені в основу визначення технологічних властивостей полімерних матеріалів і опису закономірностей технологічних процесів переробки. Вивчаючи реологічні характеристики полімерних матеріалів, можна одержати дані для розрахунку формуючого інструмента та обґрунтувати технологічні режими формування. Методика реологічних вимірювань не стандартизована. Для визначення реологічних характеристик використовують віскозиметри капілярного та ротаційного типу. Прилади, які призначені для вимірювання реологічних характеристик розплавів полімерів, повинні відповідати двом вимогам: здійснювати деформування так, що б досліджувана рідина зсувалась при відомій швидкості і працювати при відомих діючих напруженнях.

Віскозиметрія полімерів

Віскозиметрія – сукупність методів вимірювання в’язкісних властивостей полімерних систем. Основними умовами вимірювання в’язкості рідин та пластичних тіл є:

1. ламінарність потоку;

2. прилипання рідини до поверхні твердого тіла, відносно якого вона рухається;

3. малий вплив інерційного фактору або можливість його виключення при обробці експериментальних даних.

Експериментально в’язкість визначають абсолютними та відносними методами. В першому випадку η розраховують на основі прямих вимірювань напружень та швидкостей зсуву. За відносними методами η знаходять на основі порівняльних вимірювань – віскозиметри калібруються по рідинах з відомими в’язкостями.

Переважно η визначають наступними методами:

• капілярна віскозиметрія,

• ротаційна віскозиметрія,

• метод падаючої кульки,

• метод зсуву паралельних площин.

Капілярна віскозиметрія

Найбільш поширений метод, який оснований на вимірюванні швидкості витікання розплаву полімеру через калібрований капіляр при дії постійного зусилля при заданій температурі. При абсолютних вимірюваннях величинами, які впливають на процес є: радіус R та довжина L капіляра, перепад тиску на кінцях капіляра ΔР та об’ємна швидкість витікання (витрата за одиницю часу Q). Течію приймають стаціонарною ( =const) з розвинутим профілем. Для капілярів достатньо великої довжини, припустивши, що ΔР/L не залежить від L, для будь-якого циліндричного січення з радіусом r:

(9.9.)

З іншого боку:

(9.10.)

де – лінійна швидкість на відстані r від осі капіляра.

При інтегруванні цього рівняння для ньютонівських рідин одержуємо:

(Закон Пуазейля) (9.11.)

Так як напруження зсуву на стінки капіляра:

, (9.12.)

то для ньютонівських рідин швидкість зсуву на стінки капіляра:

(9.13.)

де – середня швидкість зсуву.

В загальному випадку, коли функція течії нелінійна, монотонно зростаюча, швидкість зсуву на стінки капіляра при тих же параметрах (ΔР та Q) вища ніж для ньютонівських рідин та визначається рівнянням:

(9.14.)

де

(9.15.)

Оскільки залежність D_R(τ_R) справедлива при будь-якому значенні R, вона представляє функцію течії, яка описує в’язкісні властивості середовища при стаціонарних режимах його деформування. Для визначення цієї функції необхідно:

1. визначити ряд відповідних значень ΔР та Q, внести необхідні поправки, розрахувати D та τ_R;

2. побудувати в подвійних логарифмічних координатах залежність D = f(τ_R);

3. знайти графічним диференціюванням величини ;

4. побудувати (або задати в табличному вигляді) функцію D_R = f(τ_R). Аналогічно може бути знайдена залежність ефективної в’язкості від напруження зсуву в кожному шарі текучого середовища, а саме

, (9.16.)

де ,

Існує три типи капілярних віскозиметрів для абсолютних вимірювань, які працюють при:

1. постійних перепадах тиску (ΔР = const);

2. постійних витратах (Q = const);

3. режимах течії, які безперервно змінюються.

За своєю конструкцією найпростішими та зручними у використанні є віскозиметри, які працюють при ΔР = const.

Таким є капілярний віскозиметр постійного тиску КВПД (Рис. 9.1.). Він рекомендується для розплавів термопластів, еластомерів, в’язкість яких може змінюватись від 10² до 10⁷ Нсек/м². Віскозиметр заповнюється полімерною системою (10-80г) та поміщається в кільцеву електричну піч або рідинний термостат. В залежності від в’язкості речовини та потрібних напружень зсуву вибирається тиск, який може змінюватись за рахунок тиску через штуцер 3.

Для вимірювань в’язкості (від 10³ до 10⁶ Нсек/м²) малих кількостей полімерного матеріалу при підвищених температурах може використовуватись мікровіскозиметр МВ-2 (Рис. 9.2.). Об’ємна витрата полімеру визначається візуально по переміщенню стрілки індикатора годинникового типу, голка якого рухається разом з переміщенням поршня, який видавлює полімер під дією вантажу, який лежить на поршні.

Рис. 9.1. Капілярний віскозиметр постійного тиску КВПД 1-капіляр; 2-кулька, яка виконує роль поршня; 3-штуцер для підведення газу або рідини; 4-корпус.

Рис. 9.2. Мікровіскозиметр МВ-2 1-віскозиметричний резервуар; 2-поршень; 3- матеріал; 4-капіляр; 5-вантаж; 6-голка мікрометра; 7-мікрометр; 8-нагрівні елементи.

В лабораторній практиці найбільшого розповсюдження набули скляні віскозиметри, які використовуються для відносних вимірювань в’язкості малов’язких рідин (Рис. 9.3.).

Рис. 9.3. Капілярний віскозиметр Убелоде з висячим рівнем:

1-приймальний резервуар; 2-зона рівнів наповнення; 3-капіляр; 4-мітки, які обмежують робочий об’єм; 5-зона висячого рівня.

Такі віскозиметри засновані на вимірюванні часу витікання певного об’єму рідини через калібрований капіляр.

Переважно для вимірювань потрібно від 1 до 10 мл рідини. Найбільш досконалими є віскозиметри з висячим рівнем рідини.

Використовується на практиці також ротаційна віскозиметрія, метод падаючої кульки, метод зсуву паралельних пластин.

53