Основы практической реологии и реометрии

На различных стадиях такого процесса, как заполнение литьевой формы термопластавтомата, не существует какой-либо одной един­ ственной скорости сдвига, а имеет место диапазон скоростей сдви­ га, часто перекрывающий более четырех десятичных поряд­ ков: впрыскивание через литьевое отверстие капиллярного типа - до 10 000 с”1, течение при заполнении литьевой формы - примерно 100-1000 с”1 и течение после снятия давления (для обеспечения полного заполнения литьевой формы и предотвращения темпера­ турной усадки горячего расплава в холодной форме) - менее 1 с”1

Расплавы полимеров являются не только вязкими, но и в значи­ тельной степени упругими жидкостями. Упругие деформации мо­ лекул и/или элементов объема со временем будут релаксировать. Наиболее значительная релаксация происходит сразу после того, как полимер переходит в состояние покоя по завершении экструзии, или когда сформованную деталь извлекают из формы. В листовых или экструдированных изделиях из высокомолекулярных полиме­ ров, охлажденных до комнатной температуры, упругие деформации (элементы типа растянутых спиралей) “замораживаются” в отвер­ жденном полимере. При комнатной температуре спад внутренних напряжений протекает в течение длительного периода времени (ча­ сы, дни или, возможно, недели) путем, известным как

микротрещин (“крейзов”) в прозрачных деталях. Более вязкие ком­ поненты полимерной композиции, которые достигают очень высо­ кой вязкости при почти нулевой скорости сдвига, когда экструдат переходит в состояние покоя, оказывают противодействие и тормо­ зят процесс снятия внутренних напряжений. Даже в полиэтиленах при температуре расплава около 205 °С вязкость при нулевой ско­ рости сдвига Т|о составляет примерно 106 Па с, а при более низких температурах она становится гораздо выше. Скорость сдвига, соот­ ветствующая процессу релаксации, близка к 10"5c4 , что отвечает периоду релаксации примерно в 28 ч.

В этих условиях спад упругих напряжений в термопластичных полимерах или каучуковых композициях представляет собой доста­ точно длительный процесс.

Рассмотренные выше значения скоростей сдвига, соответствую­ щие обоим технологическим процессам - переработке полимеров и снятию “замороженных” напряжений, - могут перекрывать диа­ пазон почти в 10 десятичных порядков (рис. 84). Ни один из суще­ ствующих реометров не может работать в таком широком диапазо­ не скоростей сдвига, не говоря уже о том, что измерение кривой вязкости в таком интервале скоростей сдвига потребует очень дли­ тельных испытаний.

Рис. 84. Скорости сдвига, соответствующие различным технологическим процессам

Если в процессе исследования полимеров или при техноло-гиче- ском контроле в производстве возникает необходимость измерения вязкости втаком широком диапазоне скоростей сдвига, используют не­ сколько ротационных и капиллярных реометров. Каждый из них влуч­ шем случае охватывает диапазон скоростей сдвига около трех десятич­ ных порядков. Ротационные и капиллярные вискозиметры сконструи­ рованы таким образом, чтобы охватить разные области полного диапа­ зона скоростей сдвига, поэтому при совместном использовании они могут перекрыть требуемый диапазон скоростей сдвига (рис. 85).

Отклонения от стандартной кривой вязкости на нижней или верхней границе интервала скоростей сдвигадолжны быть проверены и рассорти­ рованы по степени их технической значимости, например по отношению к однородности расплава, разбуханию струи эксгрудата или долговремен­ ной стабильности размеров профилей и других деталей, полученных ме­ тодом экструзии или прессования.

Вопрос о том, какая скорость сдвига соответствует конкретной тех­ нологии переработки полимеров, не может быть разрешен в общей Форме. Необходимо рассматривать отдельные аспекты или фазы каж­ дого производственного процесса.

! Необходимость очень широкого интервала скоростей сдвига для правильного описания реологического по­ ведения неньютоновских жидкостей в условиях ус­ тановившегося течения дополняется широкой обла­ стью частот, применяемых для исследования вязкоупругих

Рис. 86. Схема оборудования для нанесения покрытий на ковры (пояснение в тексте)

Нанесение латекса происходит следующим образом (рис. 86). Ковер / разматывают с барабана и пропускают над большой емко­ стью 2, наполненной латексом. Вращающийся цилиндр 3, частично погруженный в латекс, увлекает слой латекса и наносит его на ниж­ нюю сторону ковра в точке 4. Сэндвич из ковра и слоя латекса про­ ходит над ракельным ножом 5 с заранее установленной шириной зазора, что обеспечивает одинаковую толщину слоя латекса. Весь избыток латекса, не прошедший через ракель, стекает обратно в ем­ кость, после чего вновь медленно возвращается в область 6, где ци­ линдр 3 вводит его в новый цикл нанесения слоя.

Если принять скорость движения ковра равной 60 м/мин и ка­ либр ракельного ножа 0,5 мм, то скорость сдвига в слое латекса в точке 5 будет близка к 200 с-1. Латекс, стекающий за счет силы тяжести обратно в емкость 2, перемещается в зону 6, и скорость сдвига, соответствующая этому течению, не превышает 0,01 с-1 Скорость сдвига в точке 4 нельзя определить простым делением скорости движения ковра на толщину слоя латекса, так как предпо­ лагается, что скорость ковра и линейная скорость на поверхности цилиндра 3 равны. Некоторая скорость сдвига могла бы возникнуть только из-за разности скоростей. Однако ковер и поверхность ци­ линдра образуют клиц, в котором латекс тянется, отчего в точке 4 возникает давление, благодаря которому создается более или менее параболический профиль скоростей течения латекса в зазоре между поверхностями нижней стороны ковра и цилиндра, движущимися

с равными скоростями. Такой профиль скоростей, как известно из капиллярной реометрии, связан с характерной скоростью сдви­ га, которая в данном случае может находиться в пределах от 1 до

10с"1 Представляя этот пример нанесения покрытия на ковер, необхо­

димо обратить внимание читателя на тот факт, что для очень мно­ гих процессов, с которыми мы сталкиваемся в производстве, харак­ терна не одна единственная скорость сдвига, а диапазон скоростей сдвига, который во многих случаях перекрывает 3-4 десятичных порядка. Если вязкость в точке 5 при данной скорости сдвига вели­ ка, то высокое и, возможно, слишком высокое растягивающее на­ пряжение действует на ковер, который протягивают через зазор ра­ кельного ножа. Если при сдвиге вязкость сильно снижается, слиш­ ком много латекса стекает в этом зазоре. Если латекс, стекающий обратно в емкость, слишком сильно загустевает при почти нулевой скорости сдвига, то цилиндр 3 не может поднять достаточное коли­ чество латекса, поэтому его поверхность остается почти сухой, и к точке 4 поступает недостаточное количество латекса.

Описанный выше процесс может быть проведен неудачно как изза слишком низкой вязкости при высокой скорости сдвига, так и, в равной степени, из-за слишком высокой вязкости при низкой ско­ рости сдвига. Анализ различных стадий производственного процес­ са должен привести к правильной оценке скоростей сдвига на каждой стадии.

5.3. Особенности пробочного режима течения

Ежедневный опыт показывает, что зубная паста выдавливается из тюбика в виде цилиндра, который, будучи полутвердым, просто садится на щетинки зубной щетки. Зубные пасты, как и многие дру­ гие жидкости, такие как высоконаполненные расплавы полимеров или каучуковые композиции, содержащие в некоторых случаях бо­ лее 30% углеродной сажи, характеризуются отчетливо выраженным пределом текучести. Экструзия их через капилляры часто сопрово­ ждается необычным профилем скоростей, который существенно от­ личается от параболического профиля скоростей ньютоновских жидкостей (рис. 87). Если напряжение, уменьшающееся по направ­ лению от стенки капилляра к его центру, падает ниже предела теку­ чести, как, например, у зубной пасты, то центральная часть выдав­ ливаемой массы движется вперед как твердая пробка. В массе, ко­ торая находится внутри пробки, не возникает сдвигового напряже­

в результате чего вязкость этой части массы сильно снижается. Часто этот кольцевой слой действует как своего рода низковязкая

Рис. 87. Течение жидкостей с различным реологическим поведением в капиллярах

“смазка” при экструзии внутренней пробки. Высокий сдвиг может дополнительно привести к фазовому разделению водной компози­ ции, выдавливая тонкий слой воды, которая служит дополнитель­ ной смазкой для внутренней пробки.

Расчет скорости сдвига и вязкости материалов, проявляющих пробочный характер течения, по обычным уравнениям Хаге- на-Пуазейля для течения ньютоновских жидкостей приводит к со­ вершенно ошибочным результатам. В этом случае расчет любой “средней” скорости сдвига по сечению капилляра не имеет смысла.

Величины предела текучести при нулевом сдвиге и свойства массы при высокой скорости сдвига были измерены в рабочем зазо­ ре ротационных реометров с учетом того, что скорости сдвига жид­ костей, склонных к развитию пробочного течения, составляют не 500 или 1000 с"1, а “нуль” в центре пробки и, возможно, Ю4 или даже 105 с"1- в кольцевом слое вблизи стенки капилляра.

5.4. Примеры оценки скоростей сдвига, соответствующих некоторым типичным технологическим процессам

В данном случае величины скоростей сдвига могут быть опреде­ лены с коэффициентом точности в пределах порядка. Такая оценка проводится по уравнению

максимальн ая скорость Скорость сдвига = ----------------------------------- = v/y.

размер зазора