Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы переработки пластмасс. Лабораторный практикум
.pdf
3. Зависимость вязкости от давления.
Pexp
ат м
ат м
m
M
m
КМ
1n
k
k
n
Процессы переработки полимеров осуществляются при высоких
давлениях (до 50–150 МПа при литье, прессовании и экструзии).
В связи с данным фактором немаловажным является оценка зависимости вязкости от давления.
Влияние давления на вязкость для различных полимеров неодинаково. Особенно сильно изменяется вязкость у разветвленных полимеров или у полимеров, которые имеют громоздкие боковые группы
типа бензольного кольца.
Зависимость вязкости от давления можно описать с помощью
уравнения:
, (6)
где
– вязкость при атмосферном давлении,
– константа,
P – давление [2].
4. Зависимость вязкости от молекулярной массы.
Наибольшая ньютоновская вязкость концентрированных растворов и расплавов линейных полимеров пропорциональна молекулярной массе, ниже некоторого критического значения (
):
, (7)
где К – константа [8].
5. Зависимость вязкости от условий деформирования.
Для оценки условий деформирования используют понятия напряжения и скорости сдвига, которые применимы ко всем потокам жидкости.
Для описания зависимостей эффективной вязкости от скорости
сдвига существует ряд моделей, наиболее простой из которых является так называемый степенной закон:
, (8)
где
– скорость сдвига,
– коэффициент консистенции,
– индекс псевдопластичности, или индекс текучести [2].
11
Зависимость вязкости от скорости сдвига можно также показать
1
21
0
1
21
0
a
p
p
p
a
графически в виде кривой вязкости (рис. 2).
Рис. 2. Кривая вязкости
При низких скоростях сдвига вязкость остается постоянной или
слабо уменьшается. Однако при достижении определенной точки
вязкость начинает изменяться линейно в относительном широком
диапазоне скоростей сдвига. Это явление (то есть снижение вязкости
с ростом скорости сдвига) называется псевдопластичностью. Постоянная вязкость, наблюдающаяся при низких скоростях сдвига, называется вязкость при нулевом сдвиге, или наибольшей ньютоновской
вязкостью, для данной температуры [6].
Зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига описывается уравнением Эллиса:
, (9)
где – показатель степени,
– напряжение сдвига, при котором значение
полимера па-
дает в 2 раза [9].
Зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига показывает изменение вязкости и ее можно представить в виде выражений:
или
(10)
и графически в виде кривых течения (рис. 3) [10].
12
Рис. 3. Кривые течения:
1 – ньютоновская жидкость;
2 – аномально вязкая жидкость
1.2. ВИДЫ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Вязкие жидкости в зависимости от соотношения скорости сдвига
и напряжения подразделяются на ньютоновские и неньютоновские.
Первый тип (ньютоновские жидкости) характеризуются прямо
пропорциональной зависимостью изменения напряжения сдвига от
скорости сдвига. К ним относят низкомолекулярные жидкости, у которых диссипация энергии вязкого течения обусловлена перемещением небольших молекул и не зависит от скорости сдвига. Независимо от сил, которые на нее действуют, ньютоновская жидкость продолжает течение. Самый показательный пример – вода является ньютоновской жидкостью, так как она продолжает демонстрировать
свойства жидкости вне зависимости от скорости перемешивания [2].
Второй тип (неньютоновские жидкости) – к ним не применимы
законы обычных жидкостей. Плотность и вязкость этих жидкостей
меняются при воздействии на них внешней силы, причем не обязательно это должно быть механическое воздействие, даже звуковые
волны и электромагнитные поля приводят к данному эффекту. При
механическом воздействии на обычную жидкость сдвиг между плоскостями жидкости будет тем больше, чем большее будет воздействие
13
на нее, то есть жидкость будет быстрее течь и менять свою форму. Если же механически воздействовать на неньютоновскую жидкость, получится противоположный эффект, жидкость начнет вести себя как
твердое тело, принимая аналогичные свойства, межмолекулярная
связь будет усиливаться с ростом силы воздействия на нее, слои таких
жидкостей сдвинуть будет все труднее. При уменьшении скорости тока жидкости вязкость неньютоновских жидкостей возрастает [1, 11].
Неньютоновские жидкости принято делить на 3 группы.
1. Вязкопластичные жидкости
Для этой группы характерно наличие при течении предельного
напряжения сдвига (рис. 4). Лишь в случае превышения значения напряжения сдвига при приложении силы над предельным напряжением текучести происходит течение таких жидкостей. Пластичные жидкости проявляют свойства твердых материалов в статических условиях, но при воздействии на них силой определенного значения они начинают течь. Минимальное усилие, приложение которого к системе
вызывает начало процесса течения, называется предельным напряжением сдвига ('f). После преодоления критического напряжения сдви-
га пластичные жидкости могут вести себя как ньютоновские, псевдопластичные, или дилатантные. По характеру течения к вязкопластическим жидкостям относят, например, буровые растворы, шламы,
масляные краски.
Рис. 4. Зависимость напряжения сдвига (а) и вязкости (б)
от скорости сдвига для вязкопластичных жидкостей
14
2. Дилатантные жидкости
Подобным определением обозначают системы, у которых отсутствует предел текучести (рис. 5). При течении таких жидкостей с ростом скорости сдвига увеличивается вязкость. Изменение эффективной вязкости происходит настолько быстро, что зависимость от времени наблюдать не удается. К дилатантным жидкостям можно отнести: суспензии полимеров, глиняные суспензии, наполненные расплавы поликапроамида и асфальта, пластизоли.
Рис. 5. Зависимость напряжения сдвига (а) и вязкости (б)
от скорости сдвига для дилатантных жидкостей
3. Псевдопластичные жидкости
К данной группе относят системы без предела текучести (рис. 6),
для которых характерно уменьшение вязкости с увеличением скорости сдвига.
Рис. 6. Зависимость напряжения сдвига (а) и вязкости (б)
от скорости сдвига для псевдопластичных жидкостей
15
К псевдопластичным жидкостям относят растворы и расплавы
большинства полимеров, а также некоторые суспензии, которые содержат асимметричные частицы. В качестве примера можно привести
эмульсии, краски и некоторые суспензии. Описания поведения таких
жидкостей можно представить следующим образом: в момент вращения шпинделя в образце структура молекул вещества меняется, и они
стремятся расположиться параллельно движению поверхности шпинделя. Вязкость начинает снижаться в результате ослабевания сопротивления между отдельными слоями жидкости. При ускорении вращения первоначальная структура будет разрушаться, молекулы будут
скользить относительно друг друга, и вязкость будет понижаться.
Псевдопластики относят к аномально вязким жидкостям, у которых вязкостные свойства не зависят от продолжительности деформации, т.е. изменение вязкости со скоростью сдвига происходит столь
быстро, что временной эффект не может быть обнаружен методами
обычной вискозиметрии [1, 11].
Для некоторых неньютоновских жидкостей характерно наличие
зависимости вязкости от продолжительности воздействия на них. Для
описания данных явлений используют понятия тиксотропия и реопексия. Термин «тиксотропия» означает «чувствительный к прикосновению», а под тиксотропным эффектом обычно понимают относительно
медленное изменение – обычно уменьшение – вязкости (или в общем
случае реологических свойств, вызванное деформированием среды и
отдыхом после снятия внешней нагрузки).
Различие между «неньютоновским» и «тиксотропным» поведением
состоит в разнице временной шкалы: по определению неньютоновское
поведение состоит в немедленном изменении вязкости в зависимости от
скорости деформации, в то время как вязкость тиксотропной среды изменяется во времени медленно [11, 12].
Под тиксотропией следует понимать две группы явлений.
1. Постепенное уменьшение вязкости при постоянном значении
скорости деформации, а также обратный процесс полного или частичного возрастания вязкости до начального значения при отдыхе после снятия внешней нагрузки (рис. 7).
16
Рис. 7. Зависимость вязкости от времени (1 группа явлений)
2. Снижение значения вязкости при разных скоростях сдвига, со-
провождаемое при уменьшении скорости сдвига запаздывающим восстановлением вязкости (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость вязкости от времени (2 группа явлений)
Обе ситуации можно трактовать как кинетические процессы разрушения структуры, вызванные деформированием.
Известно огромное множество важных реальных материалов, которые проявляют тиксотропные свойства:
1. Краски, чернила, покрытия.
2. Масла и смазочные материалы.
3. Растворы эластомеров, в особенности содержащие различные
наполнители.
4. Суспензии глин.
5. Пищевые, биологические продукты и т.д.
17
Так, снижение вязкости многих пищевых продуктов (йогурта,
крема, пасты и т.д.), фармацевтических изделий и других материалов
в результате их перемешивания, происходящего ежедневно как в домашних условиях, так и при различных технологических операциях,
представляет собой типичный тиксотропный эффект.
Деформирование некоторых систем приводит не к снижению,
а к росту вязкости. Эту более редкую ситуацию называют «антитиксотропией», или «реопексией». В некоторых случаях проводят различие
между упомянутыми явлениями. Под антитиксотропией понимают непрерывное увеличение вязкости во времени при неизменном значении
скорости сдвига, в то же время реопексия описывается как мгновенное
увеличение вязкости при увеличении скорости сдвига [11, 12].
Реопексия – это свойство некоторых материалов в условиях небольших скоростей сдвига постепенно структурироваться при механических воздействиях.
Свойство реопексии присуще материалу только при малых скоростях сдвига. При слишком большом значении скорости сдвига не
происходит образования подобных структур. Суспензия олеата аммония – наглядный пример подобного поведения. При течении этой
суспензии через капилляр при небольших давлениях жидкость сначала движется быстро, а затем, после начала структурообразования,
скорость ее истечения падает. При высоких давлениях значение скорости остается высоким и не снижается.
В результате сравнения тиксотропных материалов и псевдопластиков обнаруживается, что различие между ними имеет только качественный характер, т.е. зависит от степени точности измерений.
Кроме того, для псевдопластиков временной эффект не поддается
обнаружению обычными приборами, которые применяются при исследовании этих материалов. При исследовании тиксотропных материалов наоборот наибольшее значение имеет временной фактор.
Точно так же антитиксотропные и реопектичные материалы
внешне сходны со своими не зависящими от времени аналогами (дилатантные жидкости), у которых время структурообразования незначительно [11].
18
2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ
Большинство процессов переработки полимеров (экструзия, литье под давлением, вальцевание) связано с их нагреванием или охлаждением. Под нагреванием понимается процесс передачи тепловой
энергии от более нагретого тела к менее нагретому. При охлаждении
процесс идет в обратном направлении.
Поскольку практически все процессы переработки полимеров
осуществляются в оборудовании различного типа, то для них характера теплопередача через разделяющую твердую поверхность,
т.е. через стенку аппарата.
Выделяют несколько способов передачи тепла:
1) теплопередача конвекции – это передача тепла, которая осуще-
ствляется за счет относительного движения частиц нагретого тела;
2) лучистый теплообмен – это передача тепла, которая происхо-
дит между пространственно разделенными частями тела за счет электромагнитного излучения;
3) теплопроводность – это передача тепла, которая осуществляется в результате движения различных частиц: молекул (в газах и жидкостях), атомов (в твердых телах) и электронов (в металлах).
Теплопроводность играет важную роль при теплообмене в твердых
и расплавленных полимерах. Различают нестационарную и стационарную теплопроводность. При нестационарной теплопроводности
температура в различных частях полимерного материала изменяется,
при стационарной теплопроводности – остается постоянной [1, 13].
В процессе переноса тепла от более нагретых частей полимера
к менее нагретой части происходит выравнивание энергии колебательного и вращательного движения сегментов макромолекул.
Посредством теплопроводности происходит перенос тепла от
расплава к холодным стенкам пресс-формы при литье под давлением
на стадии выдержки без давления, нагревание пресс-материала
в обогреваемой пресс-форме в процессе прямого прессования и т.п.
19
Рассмотрим стационарный перенос тепла в системе с установив-
Q
OX
F
OX
t
Q
F
OX
xT
tF
XX
TT
Q
1
2
12
dtdF
dX
dT
dQ
шейся температурой в части А – Т1 и части В – Т2 (рис. 9).
Перенос тепла осуществляется по механизму теплопроводности.
Рис. 9. Стационарный перенос тепла
Перенос тепла осуществляется по механизму теплопроводности:
перенос некоторого количества тепла
происходит от более горя-
чей части полимера к более холодной. Изменение температуры происходит в направлении оси
пендикулярную оси
тепла
тем большее, чем больше площадка
, за время
. Поэтому через площадку
будет перенесено количество
, чем больше тот
, пер-
промежуток времени, за который наблюдается перенос тепла, и чем
быстрее происходит изменение температуры Т в направлении оси
, т.е. чем больше градиент температуры
. Следовательно,
количество тепла можно выразить уравнением:
. (11)
Знак «минус» означает, что количество тепла переносится в сторону
части В системы, имеющей более низкую температуру. Если конечные
разности в формуле (11) заменить производными, то получается закон
стационарной теплопроводности (1-й закон Фурье) (12):
. (12)
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]