Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прогнозирование реологических характеристик модельных топлив. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Химия и технология полимерных и композиционных материалов»
Э.Р. НОГАЧЕВА
В.Б. ЕПИФАНОВ
В.С. ГЛУЩЕНКОВ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
РЕОЛОГИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК
МОДЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2018
1
Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол №9 от 31.03.2017 г.)
УДК 662.61.9(076.5)
ББК 35.51я73
Н76
Ногачева Э.Р.
Н76 Прогнозирование реологических характеристик модельных топ-
лив: лабораторный практикум / Э.Р. Ногачева, В.Б. Епифанов,
В.С. Глущенков. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2018. – 95 с.
Дан обзор реологическим свойствам и эффективным свойствам деформирования и течения нелинейных матричных многокомпонентных композиционных материалов, приведены существующие модели для прогнозирования и расчета вязкости наполненных систем (в частности модельных топлив).
Описаны методики определения реологических свойств модельных топлив на различных приборах и расчетным путем.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 180501
«Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», специализации «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых
ракетных топлив», при изучении курса «Технология смесевых энергонасыщенных материалов».
УДК 662.61.9(076.5)
ББК 35.51я73
Н76
Р е ц е н з е н т д-р хим. наук., проф. И.К. Гаркушин
Э.Р. Ногачева, В.Б. Епифанов,
В.С. Глущенков, 2018
Самарский государственный
технический университет, 2018
2
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Технология смесевых энергонасыщенных материалов» является одной из важных дисциплин при подготовке инженеров, обучающихся по специальности 180501 «Химическая технология
энергонасыщенных материалов и изделий», специализации «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив».
В теоретической части лабораторного практикума описаны основы реологии, приборы и методики определения реологических характеристик веществ, методы математического прогнозирования свойств
композиционных материалов.
В практической части приведен порядок выполнения
лабораторных работ, который включает в себя следующие пункты:
цель работы, приборы и материалы, последовательность
выполнения работ, обработка результатов эксперимента, задание.
После каждой лабораторной работы приведены контрольные
вопросы, которые помогают закрепить полученные теоретические
и практические знания.
Выполнение лабораторных работ по реологическим свойствам
топлив в рамках дисциплины «Технология смесевых энергонасыщенных материалов» направлено на подготовку студентов к самостоятельной работе на вискозиметрах и пластометрах, которые позволяют
измерять значения вязкости и ПТТ при различных условиях проведения эксперимента. Данные знания и умения могут пригодится при
работе на предприятиях по производству полимерных материалов,
порохов и твердых ракетных топлив.
3
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Процессы, связанные с течением и остаточными деформациями
конденсированных веществ, а также особенности течения деформируемых материалов (вязкое течение жидкостей, аномалия вязкости и
пластичность дисперсных систем, растворов и расплавов полимеров),
изучает наука, называемая реологией.
Полимеры при нагревании выше температуры текучести или
плавления переходят в вязкотекучее состояние, т.е. становятся
способными к развитию необратимых деформаций – к течению.
При приложении внешних сил или при движении поверхностей,
контактирующих с расплавом полимера, возникает течение,
основная особенность которого заключается в том, что
одновременно развиваются три вида деформации: мгновенная
упругая, высокоэластическая (запаздывающая упругая) и
пластическая (необратимая). В зависимости от условий
деформирования, скорости и времени течения, а также
стационарности процесса расплавы полимеров могут проявлять
свойства вязких, вязкоупругих или тиксотропных жидкостей. В
процессе течения расплавов полимеров также возникают эффекты,
не характерные для других жидкостей, эффект Вайссенберга,
эффект Барруса и эластическая турбулентность. Таким образом,
расплавы полимеров являются сложными реологическими
системами.
Вязкие жидкости по характеру течения, а точнее в зависимости
от соотношения напряжения и скорости сдвига, подразделяются на
четыре вида:
1. Ньютоновские жидкости.
Они характеризуются прямо пропорциональной зависимостью
изменения напряжения сдвига от скорости сдвига. К ним относят
низкомолекулярные жидкости, у которых диссипация энергии вязко-
4
го течения обусловлена перемещением небольших молекул и не зависит от скорости сдвига.
2. Вязкопластичные жидкости (тело Шведова-Бингама).
Для них характерно наличие предельного напряжения сдвига при
течении. Течение таких жидкостей происходит лишь в том случае,
когда напряжение сдвига при приложении силы больше предельного
напряжения текучести. По характеру течения к вязкопластическим
жидкостям относят буровые растворы, шламы, масляные краски.
3. Дилатантные жидкости.
Течение дилатантных жидкостей характеризуется увеличением
вязкости с ростом скорости сдвига. К ним относят концентрированные суспензии твердых частиц.
4. Псевдопластические (псевдовязкие) жидкости.
Для псевдопластических жидкостей характерно уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига. К ним относят некоторые суспензии, содержащие асимметричные частицы, а также растворы и
расплавы большинства полимеров [1].
Характер течения полимерных систем зависит как от вида деформации (сдвига, растяжения), так и от скорости потока (квазистатический или динамический режим). В процессе течения полимеров
разных молекулярных масс при определенных напряжениях и частотах внешнего воздействия возможен их переход из вязкотекучего состояния не только в высокоэластическое, но и в стеклообразное. Наличие у аморфных полимеров структурной упорядоченности
флуктуационной природы проявляется и в вязкотекучем состоянии,
влияя на процессы их переработки. После разрушения надмолекулярной структуры в полимерных системах при действии напряжений в условиях повышенных температур их реологические свойства
изменяются (текучесть улучшается). Термообработка полимеров
позволяет целенаправленно регулировать характер их надмолекулярной структуры, что важно для установления закономерностей
процессов переработки.
5
1.1. Показатель текучести расплава.
Показатель текучести топлива
Текучесть характеризует способность полимеров к вязкому течению при воздействии внешних усилий и численно равна обратной величине вязкости.
О текучести термопластичных полимерных материалов судят по
показателю текучести расплава (индексу расплава), измеренному различными методами при определенных условиях. За показатель текучести расплава (ПТР) принимается масса полимера, выдавленная в
течение 10 мин через стандартное сопло под давлением соответствующего груза и при заданной температуре.
Метод оценки ПТР термопластов стандартизирован ГОСТ 1164573, которому соответствует европейский стандарт ISO 1133-76,
американский ACTM D 1238-73 и стандарт Германии DIN 53735 [3].
ГОСТ 11645-65 рекомендует нагрузки 2,16, 5 и 10 кг и температуры,
кратные 10 °C. ASTM D 1238 (США) рекомендует температуры от
125 до 275 °C и нагрузки от 0,325 до 21,6 кг. Наиболее часто
показатель текучести расплава определяют при температуре 190 °C и
нагрузке 2,16 кг.
Величина показателя текучести для различных полимерных
материалов определяется при различных нагрузках и температурах.
Таким образом, надо иметь в виду, что абсолютные величины
показателя текучести сравнимы лишь для одного и того же
материала. Так, например, можно сравнивать величину показателя
текучести расплава полиэтилена низкой плотности различных марок.
Сравнение же величин показателей текучести полиэтилена высокой и
низкой плотности не дает возможности непосредственно сопоставить
текучесть обоих материалов. Поскольку первый определяется при
нагрузке в 5 кг, а второй – при нагрузке в 2,16 кг.
Текучесть термореактивных полимеров определяется по методу
Рашига. Навеску материала в виде порошка или таблетки помещают в
загрузочную камеру пресс-формы, которую предварительно нагрева-
6
ют до температуры испытания. Затем опускают пуансон и в течение
20 с создается удельное давление в камере 30±2,5 МПа. Время вы-
держки пресс-материала под давлением составляет 180 с. В течение
этого времени пресс-материал, находящийся в вязкотекучем состоянии, течет по измерительному каналу, заполняя его на соответствующую длину. После окончания выдержки снимают давление и разбирают пресс-форму. За текучесть по Рашигу принимают величину,
равную длине (в мм) отпрессованного стержня от основания загрузочной камеры до его плотной части. Текучесть, найденная по методу
Рашига, является относительной величиной, поскольку ее нельзя пересчитать в известные реологические характеристики [1].
Показатель текучести расплава является сравнительной характеристикой, однако он широко используется на практике. По показателю текучести расплава для многих полимеров устанавливают
границы рекомендуемых технологических параметров процесса переработки:
– при ПТР до 0,2 г/10 мин – прессование;
– до 3 г/10 мин – экструзия;
– более 2 г/10 мин – литье под давлением [3].
Конечно, эти значения несколько условные, так как подбором температуры расплава вязкость можно изменять в достаточно широком интервале, что позволяет высоковязкие полимеры перерабатывать литьем
под давлением, а низковязкие – экструзией [1].
Для топлив авторы предложили использовать термин –
показатель текучести топлива (ПТТ). Физический смысл ПТТ
заключается в определении количества грамм топлива,
истекаемого под нагрузкой через фильеру определенного диаметра
в течение 10 мин. Отличительная особенность экспериментального
определения ПТТ состоит в том, что для систем типа СРТТ –
материал перед началом эксперимента обязательно
термостатируется. Можно также отметить, что экспериментально
найденный ПТТ позволяет определить перерабатываемость,
производительность и скорость истечения материала.
7
1.2. Вязкость
η
∆
Е
R
Т
Вязкостью (η), или внутренним трением, называют свойство
жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц, вызы-
ваемому действием приложенной к жидкости силы. Вязкость характеризуется величиной, называемой динамической или абсолютной
вязкостью. За единицу динамической вязкости принимают сопротивление, оказываемое жидкостью при относительном перемещении
двух ее слоев площадью 1 см2, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 см, под влиянием внешней силы, равной 1 дин, при скорости
перемещения 1 см/с. Единица динамической вязкости в международной системе СИ [Па·с], в системе СГС – пуаз (П).
Кроме динамической вязкости часто употребляется величина
кинематической вязкости, которая представляет собой отношение
абсолютной вязкости данной жидкости к ее плотности при той же
температуре.
Единица с размерностью см2/с называется стоксом (ст), сотая ее
часть – сантистоксом (сст). Таким образом, 1 ст представляет собой
вязкость жидкости с плотностью 1 г/см3, которая при взаимном перемещении со скоростью 1 см/с двух ее слоев площадью 1 см2,
находящихся на расстоянии 1 см, оказывает сопротивление, равное
1 дин [4].
Вязкость веществ зависит от следующих факторов.
1. Температура.
Зависимость вязкости от температуры описывается уравнением
Аррениуса:
∆Е
А exp
, (1)
⋅⋅=ТR
где А – константа;
– энергия активации вязкого течения;
– универсальная газовая постоянная;
– абсолютная температура [5].
2. Давление.
8
Зависимость вязкости от давления описывается следующим
(
)
⋅⋅=
δηη
η
δ
P
η
М
К
α
−
η
k
n
(
)
уравнением:
P
, (2)
где
exp
атм
– вязкость при атмосферном давлении;
атм
– константа;
– давление [1].
3. Молекулярная масса.
Зависимость вязкости от молекулярной массы описывается следующим уравнением:
α
МК ⋅=
, (3)
где
– средняя молекулярная масса;
– константа;
– показатель, который характеризует конформацию макромо-
лекул в растворе.
4. Условия деформирования.
Для описания зависимостей эффективной вязкости от условий
деформирования существует ряд моделей, наиболее простой из которых является так называемый степенной закон:
1
.
=nk
γ
, (4)
.
где
γ
– скорость сдвига;
– коэффициент консистенции;
– индекс псевдопластичности или индекс текучести [1].
Более сложными являются трехпараметрические уравнения, среди которых наиболее известны модели Карро и Эллиса. В них устанавливается более сложная зависимость вязкости от условий деформирования. Зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига
описываются следующими выражениями:
– согласно Карро и Яшида:
0
тnт1
.
1
+=
γληη
9
−
; (5)
– согласно Кроссу:
η
η
m
λ
σ
η
τ
)(P
η
η
=
0
.
σγη
0
, (6)
n−
1
*
где
=
η
+
1
– наибольшая ньютоновская вязкость полимера;
0
и n – эмпирические постоянные;
– характеристическая константа с размерностью времени;
*
– характеристическое напряжение сдвига [6].
Зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига описывается уравнением Эллиса:
η
=
1
0
τ
+
τ
, (7)
1
−
α
21
где α – показатель степени;
– напряжение сдвига, при котором значение
21
η
полимера па-
0
дает в 2 раза [6].
Любая система, в которой отношение напряжения к скорости
сдвига численно равно динамической вязкости и при постоянных
давлении и температуре не зависит от режима деформирования,
называется ньютоновской. Полимерные растворы, линейные полимеры, а также материалы на их основе, содержащие дисперсные наполнители (сажи и др.), представляют собой аномально вязкие системы.
Их аномалия выражается в значительно большем увеличении градиентов скорости деформации с возрастанием напряжения, чем это следует из закона вязкого течения Ньютона.
Системы, у которых напряжение сдвига изменяется не пропорционально скорости сдвига, называются неньютоновскими. В случае проявления неньютоновского течения для системы характерна
зависимость вязкости от напряжения сдвига
. Чтобы отли-
чить такую вязкость от ньютоновской, ее называют структурной,
так как часто эта зависимость связана с разрушением структуры системы под действием напряжений. Чтобы отличить обе вязкости,
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]