Вопросы 43,44,45,46 ФиХП
.docx43. Основные понятия реологии расплавов полимеров. Специфика вязкого течения.
Механические свойства текучих систем изучаются областью ме- ханики. называемой реологией (от греческих слов рео - «теку» и логос - «наука»). Реологические свойства характеризуют поведение полимерных систем при деформировании. Они определяют зависимости. связывающие напряжения, деформации и скорости деформаций. Выше температуры стеклования аморфные неструктурированные полимеры находятся в высокоэластическом или в текучем состоянии. Кристаллические полимеры при температурах выше ил температуры плавления также переходят в текучее состояние. Между высокоэластическим и текучим состояниями высокомолекулярных соединений не существует четкой границы. Для полимеров, у которых проявляются оба состояния при высоких температурах и невысоки скоростях деформации, определяющее значение имеет их текучесть - способность к необратимому направленному перемещению макромолекул друг относительно друга без нарушения целостности (сплошности) тела. Необратимые деформации называются пластическими. У полимерных систем в текучем состоянии необратимые деформации могут быть неограниченно большими. Если энергия, необходимая для необратимого перемещения макромолекул, существенно меньше энергии химических связей, то процесс течения не сопровождается их разрывом. Однако при высоких напряжениях вследствие разрыва химических связей может происходить деструкция полимера, что приводит к снижению средней молекулярной массы и изменению молекулярно- массового распределения. При изучении реологических свойств полимеров основное значение имеют три простейших вида деформации: простой сдвиг, одноосное растяжение и всестороннее сжатие. Охарактеризовать реологическое поведение полимера можно лишь установив зависимость вязкости от напряжения или от скорости сдвига и получив при этом кривые течения. С этой точки зрения наиболее простым является случай, когда напряжение сдвига в полимере пропорционально скорости сдвига. С ростом напряжения сдвига пропорционально увеличивается скорость сдвига:
τ=η0υ (41)
Выражение (41) представляет собой закон Ньютона, где τ – напряжение сдвига в Н/м2,υ-скорость сдвига в с-1, а η0 –коэффициент пропорциональности между напряжением и скоростью сдвига, называемый коэффициентом вязкости или просто вязкостью и имеющий размерность Н·с/м2. Вязкотекучее состояние — это релаксационное (физическое) состояние, характерное для линейных и разветвлённых полимеров и материалов на их основе, а также для неорганических стёкол и дисперсных систем, образующих гели.
При механическом нагружении материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии, преобладают необратимые деформации — вязкое течение.
Для полимеров в вязкотекучем состоянии характерна высокая (104–106 Па · с) вязкость, зависящая от химического строения и молекулярной массы полимера, температуры, условий деформирования и пр.
Материалы в вязкотекучем состоянии являются вязкоупругими жидкостями.
Течение полимеров в вязкотекучем состоянии происходит по термоактивационному механизму, энергия активации вязкого течения составляет 30–160 кДж/моль (в зависимости от химического строения макромолекул). Эффективная вязкость - это вязкость, изменяющаяся в зависимости от напряжений и скорости сдвига (иначе - “структурная вязкость”) жидкости относятся к не Ньютоновским (текут не по закону Ньютона). Если вязкость увеличивается с возрастанием скорости сдвига, то такой эффект называется “дилатация”, но для полимеров в большинстве случаев характерна другая аномалия вязкости, т.е. когда вязкость снижается под действием напряжения сдвига и деформации сдвига.
44. Закономерности течения полимерного расплава в широком диапазоне скоростей сдвига и напряжений. Закон Оствальда- де Вилла.
Особенностью течения обычных полимерных расплавов с достаточно широким молекулярно-массовым распределением является аномалия вязкости, т. е. ее снижение при увеличении скорости и напряжения сдвига. Формула Оствальда де Вилла:
τ=η·υn
от закона Ньютона она отличается тем, что в нее скорость сдвига входит в степени n. При умеренных скоростях сдвига большая часть буровых растворов ведет себя как вязкопластичная бингамовская жидкость. Однако фактически буровой раствор начинает течь при очень низких давлениях.
Среды, для которых характерны кривые течения, проходящие через начало координат, называются псевдопластичными их реологию описывает степенная модель Оствальда де Ваале. Как правило, бингамовская пластическая модель позволяет прогнозировать напряжение сдвига, значения которых слишком высоки как в диапазоне больших, так и малых скоростей сдвига. Модель степенного закона позволяет прогнозировать значения напряжений сдвига в этих диапазонах, которые хотя и являются не большими, но как правило, более приближены к реальному поведению жидкости.
При помощи модели Оствальда де Ваале можно описать поведение некоторых эмульсий, паст, продуктов питания, фармацевтических и биологических препаратов, мыльных составов, жиров, клеящих веществ, красок, резиновых смесей, полимерных растворов, буровых и тампонажных цементных растворов с различными добавками.
45. Закономерности течения расплава полимера. Зависимость вязкости от напряжения сдвига и скорости сдвига в широком диапазоне скоростей сдвига и напряжений.
Кривая течения для НМЖ
ограничена переходом от
ламинарного к турбулентному режиму, когда понятие вязкости теряет физический смысл.
НМЖ перестает течь (в ламинарном режиме) когда достигается критическая скорость сдвига (критерий Re > 2100)
Расплав полимера перестает течь (наступает срыв струи) при достижении критического
напряжения сдвига (τкр)
46. Закономерности течения расплава. Основные участки полной кривой течения расплава полимера.
На полной кривой течения можно выделить три характерных участка: начальный участок (область I), в пределах которого скорость деформации прямо пропорциональна напряжению сдвига (течение с наибольшей ньютоновской вязкостью); переходной участок (область II), в пределах которого скорость деформации возрастает быстрее, чем напряжение сдвига (эффективная вязкость уменьшается с увеличением напряжения сдвига), и последний участок (область III), в пределах которого скорость деформации вновь растет пропорционально напряжению сдвига (течение с минимальной ньютоновской вязкостью).