Методы измерения вязкостных свойств концентрированных растворов и расплавов полимеров. Структура концентрированных растворов и расплавов полимеров

Вязкостные свойства концентрированных растворов и расплавов полимеров – это проявление структурно-механических характеристик; они описываются зависимостью напряжения сдвига  от градиента скорости сдвига .

Необходимыми условиями измерения эффективной вязкости _эф являются: ламинарность потока; адгезия полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, к поверхности, относительно которой он течет; незначимость влияния инерционных сил текущей жидкости; исчезающе малая сжимаемость; изотермичность процесса течения.

Вязкость полимерных систем может быть определена следующими методами: капиллярной вискозиметрией, ротационной вискозиметрией, методом падающего шарика, методом сдвига параллельных плоскостей. Для реализации этих методов используются вискозиметры соответствующих конструкций.

Метод капиллярной вискозиметрии

Значения , оцененные из геометрических характеристик капилляра, а также перепада давления Р в процессе течения, должны быть скорректированы на так называемые «входовые эффекты». Дело в том, что истечение жидкости из вискозиметрического резервуара 1 (рис. 15) сопровождается концентрированием линий тока у входа в капилляр 2, что приводит к частичной потере напора Р.

В самом капилляре происходит торможение потока жидкости в результате гашения скорости потока у стенки, в то время как стабильный профиль скоростей (например, параболический) формируется на определенном расстоянии от входа в капилляр, называемом «входным участком», длина которого l_вх. Гидродинамические эффекты в потоке требуют дополнительных затрат энергии.

Для проведения измерений вязкости используются капиллярные вискозиметры:

с постоянным перепадом давления (Р = const);

с постоянным расходом (Q = const);

с непрерывно изменяющимся режимом течения (при условии, что перестройка профиля скоростей при изменении режима течения происходит со скоростями, аналогичными скоростям изменения режимов течения).

Рис. 15. Схема капиллярного вискозиметра:

1 – резервуар; 2 – капилляр

Методы ротационной вискозиметрии

Распространение получили два метода:

 метод коаксиальных цилиндров (метод Куэтта);

 метод «конус  плоскость».

Непосредственно измеряемыми величинами являются:

 крутящий момент М_к, действующий на одну из контактирующих с жидкостью рабочих поверхностей;

 угловая скорость одной из рабочих поверхностей ;

 геометрические размеры рабочих поверхностей.

Для цилиндрического кольцевого зазора (рис. 16.) при малых значениях h и рабочей высоты Н внутреннего цилиндра, погруженного в жидкость, вязкость которой измеряется, напряжение сдвига в слое радиусом r определяется по формуле

 = М_к(2r²Н).

а

б

Рис. 16. Схемы ротационных вискозиметров:

а – системы концентрических цилиндров (1 – наружный цилиндр радиусом R_н, 2 – внутренний цилиндр радиусом R_в, 3 – центрирующая ось, 4 – дно рабочего цилиндра); б– системы конус плоскость (1 – цилиндр, 2 – конус, 3 – ось)

Скорость сдвига

 = 2d/dr,

где   угловая скорость ламинарно перемещающихся слоев среды.

Для ньютоновских жидкостей

(8)

поэтому

(9)

Для неньютоновских жидкостей

(10)

В случае малых значений h = Rн – R_в в условиях ламинарного потока можно принять, что

   R_в/h.

В связи с тем, что существенное влияние на результаты оказывает дно прибора, в расчеты вносят поправку в виде некоторой величины Н₀, которую суммируют с рабочей высотой Н. Поэтому при вычислении _эф и  учитывают величину Н = Н+Н₀. Значения Н₀ находят, проведя ряд измерений М_К и  при различных Н и экстраполируя эту зависимость к М_К  .

В вискозиметрах типа «конус  плоскость» (см. рис. 16, б) угол между образующей конуса и плоскостью  составляет лишь несколько градусов, и поэтому силовое поле в зазоре между ними достаточно однородно.

 = 3М_к(2R³).