Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прогнозирование реологических характеристик модельных топлив. Лабораторный практикум
.pdf
ньютоновская обозначается
η
, а структурная – η. Структурная
0
вязкость η, зависящая от напряжения или скорости деформации,
для различных веществ наблюдается при переходе структуры из
неориентированного в ориентированное состояние (ориентационные эффекты), обратимом (тиксотропном) разрушении структуры,
увеличении скорости деформации сдвига и уменьшении энергии
активации процесса течения.
Механизмы неньютоновского течения разделяются на две основные группы: активационные и ориентационные. Механизмы
первой группы могут реализоваться и без разрушения структуры
(механизм Эйринга, учитывающий, что энергия вязкого течения
снижается с увеличением напряжения сдвига), но главным образом они идут с разрушением структуры и уменьшением энергии
активации (механизм Ребиндера, учитывающий, что для перехода
от изменившейся структуры к исходной после снятия нагрузки
требуется время тиксотропного восстановления) [2].
1.3. Реология топливных масс
Топливные массы представляют собой энергонасыщенные полимерные композиционные материалы на основе различных связующих
(пластифицированных эфиров целлюлозы, каучуков и других полимеров) и наполнителей (окислителей, металлических горючих, добавок). Полимерное горючесвязующее обеспечивает реологические и
механические характеристики топлив.
Модельные составы топлив являются в своем роде одним из
видов композиционных материалов (КМ). При вариативном изменении процентного содержания компонентов можно изучать
свойства топливных масс в различных условиях. Таким образом, с
определенной точки зрения знание реологических свойств КМ
можно использовать при изучении свойств топливных составов
без привлечения дорогостоящих компонентов и технологий.
11
При переработке топливные массы подчиняются закономерностям, характерным для деформирования полимеров, находящихся в
вязкотекучем и высокоэластическом состоянии.
Для прогнозирования оптимальных режимов переработки материалов, получения качественных изделий необходимо изучать комплекс реологических свойств, связанных как с внутренним, так и с
внешним трением. Знание основных закономерностей поведения материалов позволит также направленно регулировать реологические
свойства композиций за счет изменения их рецептуры, выбора оптимальных температурно-временных режимов формования, оптимальной конструкции пресс-инструмента и других факторов.
Процесс деформирования пороховых масс сопровождается
структурными превращениями и изменением их реологических
свойств. Знание температурно-скоростных зависимостей реологических свойств дает возможность применять научно-обоснованные методы расчета технологических режимов переработки, прогнозировать
оптимальные условия, рассчитывать и конструировать более совершенные аппараты переработки. Изучение реологических свойств,
кроме того, позволяет получить важную информацию о структурных
особенностях материалов.
Переработка пороховых и топливных масс в готовые изделия
осуществляется в зависимости от уровня их реологических свойств
различными методами: свободного литья; литья под давлением; проходного прессования; намотки; штамповки и другими.
Первые три метода являются основными, при этом перерабатываемые композиции должны иметь уровень вязкости соответственно:
102 ... 6–103 Па⋅с, 103 ... 105 Па⋅с; 106 ... 1011 Па⋅с.
Свободным литьем и литьем под давлением перерабатывают
топливные массы, пастообразные и пластизольные композиции, методом проходного прессования – баллиститные, пироксилиновые, некоторые виды смесевых топливных масс, пиропороховых и пожаротушащих топливных композиций.
12
Реологические свойства топливных масс (вязкость, растекае-
−
τ
мость) зависят от рецептурных особенностей (свойств горючесвязующего, количеством и качеством пластификатора; количеством,
формой, степенью дисперсности и фракционным составом частиц
наполнителей, количеством и качеством технологических, отверждающих добавок, поверхностно-активных веществ и т.д.) и от температурных и скоростных режимов переработки [7].
Вязкость топлив можно определить на приборах, которые приведены в п. 2.
Растекаемость топлив определяют на специальном приборе по
относительному изменению начального диаметра
цилиндрического образца высотой 30 мм до диаметра
d = 30 мм
0
d за 30 мин
k
по формуле
dd
0
d
k
. (8)
0
K
=
p
К основным факторам, которые определяют реологические
свойства топливных масс на технологической фазе ее приготовления, относят:
– степень наполнения, гранулометрический и морфологический
состав наполнителей;
– вязкость связующего и энергия активации его вязкого течения;
– наличие и характер поверхностно-активных веществ;
– температура, скорости деформирования и продолжительность
смешения [8].
При переработке методами литья нормальный режим формования
– течение массы относительно внутренних стенок формующего инструмента, т. е. взаимно перемещающимися являются отдельные кинетические единицы течения при сохранении сплошности материала, а
скорость движения слоев, непосредственно прилегающих к стенкам,
равна нулю. В этом случае силы вязкого сопротивления при течении
материала (а внутреннего трения τ) меньше касательных напряжений
на границе материала со стенкой (сил внешнего трения
13
) [7].
µ
γ
γ
<
η
γ
γ
>
η
Рис. 1. Типичная кривая зависимости вязкости топливных
масс от скорости сдвига
При деформировании топливных композиций наблюдается, как
правило, сложная S-образная зависимость вязкости η от скорости
сдвига γ (рис. 1). В области
материалы ведут себя как ньюто-
кр
новские с наибольшей ньютоновской вязкостью практически неразрушенной структуры
; при
нб
– эффективная вязкость η сни-
кр
жается при возрастании скорости сдвига, что обусловлено разрушением структуры и явлениями механической релаксации, а также явления ориентации частиц дисперсной фазы наполнителей и изменением степени агрегации.
Таким образом, большинство топливных композиций ведут себя
как псевдопластичные аномальновязкие материалы. При высоких
скоростях сдвига может наблюдаться участок течения с наименьшей
ньютоновской вязкостью практически разрушенной структуры
нм
Данный участок не всегда может наблюдаться на кривой течения
топливных масс, т.к. при высоких скоростях сдвига невозможно
.
обеспечить изотермичность процесса.
Для некоторых видов пластизольных топливных масс может также наблюдаться проявление дилатантных свойств – возрастание вязкости при повышении интенсивности внешнего механического воздействия [7].
14
2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Приборы для определения вязкости
Существуют различные типы приборов для определения вязкости. Принцип определения вязкости на этих приборах следующий:
1) измерение зависимости угловой скорости вращения стержня,
помещенного в испытуемое вещество, от величины вращающего момента;
2) измерение зависимости скорости погружения шара в вещество
от величины нагрузки на него;
3) измерение зависимости скорости течения вещества через отверстие от величин нагрузки на нее.
Приборы для измерения вязкости подразделяются на: капиллярные (вискозиметры истечения), ротационные и шариковые вискозиметры.
2.1.1. Капиллярные вискозиметры
Капиллярные вискозиметры предназначены для определения кинематической вязкости различных веществ. Для определения вязкости на этих вискозиметрах необходимо измерить два параметра –
давление и объемный расход. Обычно измеряют либо давление при
заданном объемном расходе потока и данной температуре, либо объемный расход потока при данном давлении.
Давление в капиллярных вискозиметрах создается одним из следующих способов:
– грузом определенного веса (в «грузовых» вискозиметрах);
– давлением сжатого газа (в «газовых» вискозиметрах);
– предварительно сжатой пружиной;
– механическим приводом, в котором усилие с помощью
обратной связи поддерживается или регулируется по требуемой
программе;
– собственным весом исследуемой жидкости [9].
15
Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на непрерывном сдвиге в капилляре вновь поступающего вещества и постоянном уносе с веществом выделяющейся теплоты.
Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в
работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся частей. Они состоят из обогреваемого резервуара (вискозиметрической
бомбы), на конце которого закрепляется капилляр, подвижного
плунжера и системы задания, поддержания и измерения давления.
Капилляры – основная измерительная деталь вискозиметра – доступны, могут быть выбраны желаемых размеров и формы, легко поддаются калибровке. Поскольку испытуемое вещество находится в деформированном состоянии сравнительно короткое время (по мере его
вытекания в капилляр поступают свежие порции вещества из загрузочного резервуара), то влияние термо- и механодеструкции на результаты испытания несущественно. Тепловой эффект при испытаниях невелик, так как выделяющееся тепло быстро отводится вместе с
вытекающим веществом.
Используя метод капиллярной вискозиметрии, можно получать
кривые течения (кривые зависимости скорости сдвига от напряжения
сдвига или эффективной вязкости от скорости сдвига, представляемые обычно в логарифмических координатах), оценивать температурные коэффициенты вязкости и энергию активации вязкого течения, степенные константы уравнения Оствальда-де-Вилла, определять критические скорости и напряжения сдвига, соответствующие
наступлению «нерегулярного течения» или «эластической турбулентности», величину усадки или эластического восстановления (степень разбухания экструдата).
Важным преимуществом капиллярной вискозиметрии является
возможность моделирования реальных технологических процессов,
поэтому эти методы широко используются при исследовании формования выдавливанием, транспортирования по каналам различной
длины и формы, а также определения зависимости реологических характеристик продуктов от технологических факторов [10].
16
Недостатком капиллярного вискозиметра является отсутствие
возможности измерения очень вязких веществ и невозможность измерения вязкости при разных напряжениях сдвига.
Вязкость прозрачных веществ можно определять на вискозиметрах ВПЖ-1, ВПЖ-2 (рис. 2), типа Пинкевича, ВПЖМ, а непрозрачных – ВНЖ (см. рис. 2).
Рис. 2. Капиллярные вискозиметры:
1 – измерительные резервуары; 2 – капилляры; 3 – приемные сосуды; 4 – питающий
резервуар (для ВНЖ); 5 – метки, служащие для измерения времени истечения вещества
из измерительных резервуаров или их заполнения (для ВНЖ)
Вискозиметры типа ВПЖ предназначены для определения кинематической вязкости прозрачных веществ при положительных и отрицательных температурах во всех отраслях промышленности, где
используются горюче-смазочные масла, в лабораториях нефтемаслозаводов, в машиностроении, строительстве и т. д.
Вискозиметр типа ВНЖ предназначен для определения кинематической вязкости непрозрачных веществ. В вискозиметрах типа
ВНЖ производятся измерения не времени истечения жидкости по капилляру, а измерения времени заполнения веществом приемного ре-
17
зервуара (сначала нижнего, затем верхнего). Такой тип вискозиметра
cpt
=
η
p
t
⋅
называют вискозиметром обратного тока [11].
Одним из представителей капиллярных вискозиметров является
вискозиметр истечения, который представляет собой капиллярную
трубку из стекла пирекс (0,5–0,8 мм в диаметре, длина около 25 см),
на которой в соответствующем месте имеется небольшое шаровое
расширение (емкостью 0,2–4,0 см3). На трубке, выше и ниже расширения, наносятся деления. Такой прибор используется для измерения
вязкости от 10-3 до 102 Па·с.
Для измерения вязкости от 10-1 до 105 Па·с широко используется
вискозиметр, состоящий из прямой капиллярной трубки из стекла пирекс постоянного диаметра (1,0–2,0 мм в диаметре, длина около
25 см) с двумя или несколькими делениями на ней.
В обоих случаях при течении между двумя делениями абсолютная вязкость η (в Па·с), приложенная разность давлений р (в
миллиметрах ртутного столба) и время t (в секундах) связаны соотношением
, (9)
где с – калибровочная постоянная, которую можно точно определить, зная величину произведения
для стандартного вещества.
Экспериментальная установка, применяемая для измерения вязкости указанным методом, представлена на рис. 3.
Образец (весом 1–2 г) помещается в трубку из стекла пирекс
(длиной около 15 см с внутренним диаметром порядка 1 см), которая
в свою очередь погружается в паровую или какую-либо другую термостатическую баню. Затем образец нагревают до температур, превышающих, насколько возможно, температуру размягчения, но не
вызывающих пока разложения вещества образца. После этого верхний запорный кран поворачивают попеременно то в сторону вакуума,
то в сторону азота до тех пор, пока образец не освободится от летучих примесей, т.е. до тех пор, пока не прекратится выделение газовых
пузырьков. К этому моменту вещество однородное по своему соста-
18
ву, свободное от газовых пузырьков, расположится на дне трубки,
имея над собой азотную атмосферу. Только теперь можно начинать
измерения. Следует отметить, что измерение этим методом вязкостей, больших, чем 104 Па·с, может оказаться очень трудным либо
вообще невозможным из-за того, что время опускания вещества по
стенкам трубки и образования однородной массы становится слишком большим. Оно может оказаться настолько большим, что начнется
разложение вещества.
Рис. 3. Схема аппаратуры для измерения вязкости с помощью
капиллярно-пипеточного вискозиметра:
1 – конденсатор; 2 – капиллярная пипетка; 3 – зажим; 4 – трубка с образцом;
5 – водяная баня; 6 – манометр; 7 – резервуар давления; 8 – трехходовой кран
Измерение начинают с того, что прекращают пропускать поток
азота через капилляр и погружают конец вискозиметра в жидкое вещество. После того как температура вискозиметра станет равной температуре системы, прикладывается разрежение (примерно на 20–
200 мм рт. ст. ниже атмосферного давления). Для этого нужно поворотом нижнего трехходового крана соединить вискозиметр с резервуаром давления. Его емкость (около 1 л) должна быть достаточно
большой, чтобы обеспечить постоянство давления при измерении. Затем определяется время протекания вещества между двумя последовательными делениями. Средний перепад давления измеряется с по-
19
мощью ртутного манометра. При этом нужно сделать поправку на
разность высот вещества в вискозиметре и в трубке. Сразу же после
измерения открывают кран и добавляют в капилляр азот, что приводит к медленному опустошению вискозиметра.
Когда вещество смешано с летучим растворителем, испарение
растворителя можно свести до минимума, если получать перепад
давления не при помощи вакуума, а прикладывать к поверхности вещества положительное давление через вспомогательное ответвление
в трубке с образцом.
Для большей точности желательно в каждом случае проводить по
крайней мере два измерения. В случае вискозиметра с прямой трубкой
для этого удобнее всего хронометрировать течение между последовательными парами делений на капилляр. Точность измерения вязкости с
помощью таких вискозиметров составляет ±3 %.
2.1.2. Ротационные вискозиметры
Ротационные вискозиметры предназначены для определения динамической вязкости различных веществ (высокомолекулярных жидкостей, растворов полимеров, композиционных материалов, в т.ч. модельных топлив) в диапазоне 5·102–109 мПа·с. В ротационных вискозиметрах измеряется один из двух параметров: крутящий момент или
угловая скорость вращения одного из двух соосных тел, в зазоре
между которыми находится испытуемое вещество. Крутящий момент
можно определять следующими способами: силой тока, потребляемой электродвигателем привода вращающегося элемента; углом поворота уравновешивающей торсионной пружины; реактивным моментом вращения статора приводного электродвигателя.
Одним из представителей ротационных вискозиметров является
вискозиметров фирмы Brookfield, которые предназначены для измерения вязкости жидкости при заданных скоростях сдвига.
Ниже представлены некоторые представители вискозиметров
этой фирмы [12].
1. Программируемый вискозиметр НВDV-II+Pro.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]