Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы переработки пластмасс. Лабораторный практикум
.pdf
Количество тепла пропорционально градиенту температуры,
1
Т
2
Т
х
tF
h
TT
Q
12
T
hq
tFT
Qh
tF
Q
q
2
2
2
2
2
2
dz
Td
dy
Td
dx
Td
a
dt
dT
t
a
x
площади и времени теплопроводности. При интегрировании уравнения (12) в пределах от 0 до Q, температуру – от
до
,
до h, площадь F – от 0 до F и время t – от 0 до t получается:
. (13)
Коэффициент теплопроводности из уравнения (13) можно опре-
делить по формуле
, (14)
гдe
– плотность стационарного теплового потока, проходяще-
го через образец,
ΔT – перепад температур между противоположными сторонами
образца [1, 13].
Физический смысл коэффициента теплопроводности состоит
– от 0
в том, что это количество тепла, переносимого через единицу изотермической поверхности за единицу времени при градиенте температуры, равном единице. Теплопроводность полимеров зависит от нескольких факторов: химического строения, физического состояния
и температуры [13].
Рассмотрим нестационарную теплопроводность. Дифференци-
альное уравнение нестационарной теплопроводности, которым
пользуются при расчетах подобных процессов (второй закон Фурье), имеет следующий вид:
, (15)
где T – температура,
– время,
Одной из важных задач данной теплопроводности являются про-
цессы нагревания и охлаждения тел в среде с постоянной температу-
– коэффициент,
, y, z – координаты точки тела.
21
рой. К таким процессам можно отнести охлаждение пластмассовых из-
2
0
taF
a
Bi
c
c
TTTT
0
0
T
c
T
делий в форме при изготовлении литьем под давлением, прессования,
а также охлаждение изделий в ваннах. Немаловажным является возможность расчета температур в определенных точках изделия и количества теплоты, подведенной или отведенной от изделия за определенный промежуток времени [1, 12].
Процесс нестационарной теплопроводности характеризуется
двумя числами.
1. Число Фурье, которое характеризует соотношение между
скоростью изменения тепловых условий в окружающей среде и скоростью перестройки поля температуры внутри рассматриваемой системы (тела). Значение числа Фурье зависит от размеров тела и коэффициента его температуропроводности.
, (16)
где t – время охлаждения,
– толщина или другой характеристический размер изделия.
2. Число Био, которое характеризует соотношение между пере-
падом температуры в двух точках тела, находящихся на характерном
расстоянии друг от друга, и температурным напором (температура
поверхности тела − температура окружающей среды). Число Био
представляет собой отношение термического сопротивления стенки
к термическому сопротивлению передачи тепла на поверхности. Для
геометрически подобных тел равенство числа Био определяет подобие распределений температуры (температурных полей).
. (17)
Для расчета безразмерной, характеристической температуры
можно воспользоваться уравнением
, (18)
где T,
и
– температуры соответственно в середине изделия, рас-
плава и охлаждающей среды, °С [1, 12].
22
Для оценки воздействия температуры, которая изменяется в про-
q
TR
T
h
R
Tlll
0
0
T
0
0
0
l
0
l
0
ТТT
Т
0
Т
цессах переработки пластмасс, используют теплофизические свойства. К ним, помимо теплопроводности, относят:
1) термическое сопротивление, которое характеризует теплоинерционные свойства слоя конкретного полимера и определяется по
формуле
, (19)
гдe q – плотность стационарного теплового потока, проходящего через образец,
– перепад температур между противоположными сторонами
образца [13].
С помощью термического сопротивления можно оценить тепловое
поведение изделия из пластмассы с толщиной стенки h по формуле
, (20)
где h – толщина слоя полимера [13];
2) коэффициент линейного расширения, который представляет
собой изменение размеров физического тела в зависимости от температуры, оценивается. При этом в зависимости от изменяемого параметра образца коэффициент бывает линейного (уравнение 21) или
объемного
расширения (уравнение 22):
; (21)
, (22)
где
и
– значение длины или объема образца при начальной тем-
пературе измерения,
и – значение длины или объема образца при конечной темпе-
ратуре измерения,
– разность температур начала
ния
[13];
23
и окончания измере-
3) теплоемкость, под которой понимается количество теплоты,
P
С
V
С
P
P
T
H
С
V
V
T
U
С
Р
Т
CC
а
которое необходимо затратить для изменения температуры физической системы на 1 °С. В зависимости от того, определяется теплоемкость при постоянном давлении или при постоянном объеме, различают объемную
(23) и мольную
(24) теплоемкость:
; (23)
, (24)
где H и U – энтальпия и внутренняя энергия,
и V – давление и объем,
– температура;
4) коэффициент температуропроводности а, который характеризует теплоинерционные свойства физического объекта:
, (25)
где C – удельная теплоемкость;
5) теплоусвояемость, или тепловая активность b, которая характеризует отвод тепла с поверхности внутрь полимерного тела при
контактном теплообмене [13].
24
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЧИСТЫХ ПОЛИМЕРОВ
НА ВИСКОЗИМЕТРЕ BROOKFIELD НВDV-II+PRO
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СКОРОСТЯХ СДВИГА
Цель работы: определить вязкость чистых полимеров.
Приборы и материалы: химическая посуда, вискозиметр Brookfield
НВDV-II+Pro, компьютер, набор шпинделей, термоячейка, перчатки
хлопчатобумажные, перчатки резиновые, вата. В качестве материала для
определения вязкости рекомендованы гранулированные полимерные
материалы: полиэтилен, полистирол, полиамид различных марок.
Последовательность выполнения работ
1. Изучить устройство и принцип работы вискозиметра Brookfield
НВDV-II+Pro.
Общий вид установки для определения вязкости представлен на
рис. 1.1 [14].
Рис. 1.1. Установка для определения вязкости:
1, 8 – шпиндель; 2 – измерительный сосуд; 3 – регулятор температуры; 4 – вискозиметр
Brookfield; 5 – панель отображения данных; 6 – панель настройки данных;
7 – лабораторный штатив; 9 – термоячейка
25
Установка состоит из следующих основных частей: вискозиметра
Brookfield НВDV-II+Pro (4), лабораторного штатива (7), термоячейки
(9), регулятора температуры (3), комплекта шпинделей (1) различных
размеров (SC4-21, SC4-27, SC4-29, SC4-29), измерительных сосудов (2).
Вискозиметр Brookfield НВDV-II+Pro – это наиболее универсаль-
ная модель вискозиметра с богатыми функциональными возможностями для измерения вязкости в диапазоне от 800 до 3,2∙108 МПа∙с.
Вискозиметр может работать в двух режимах: режим автономной работы и режим внешнего управления (с помощью компьютера).
Принцип работы вискозиметра заключается во вращении специального измерительного шпинделя (пластина, цилиндр, диск и др.),
погруженного в тестируемое вещество, посредством калибрования
спиральной пружины. Вязкое трение вещества о шпиндель определяется по закручиванию приводной пружины, которое измеряется датчиком угла вращения. Диапазон измерения вязкости веществ вискозиметром зависит от скорости вращения шпинделя, его размеров
и формы, а также размеров и формы контейнера с веществом, в которой вращается шпиндель, и линейного диапазона момента кручения
калиброванной пружины [14].
2. Подготовить рабочее место для проведения эксперимента.
3. Получить материалы и необходимую химическую посуду.
4. Проверить, что установка выставлена по пузырьковому уров-
ню, расположенному в верхней части вискозиметра. При правильной
установке воздуха пузырек должен находиться в установочном кольце. При неправильной установке отрегулируйте его с помощью установочных винтов на основании штатива.
5. Перед проведением измерений необходимо провести настрой-
ку вискозиметра. Поставьте выключатель питания, расположенный
на задней панели, в положение «включено». На панели отображения
данных (6) появится возможность выбора режима работы вискозиметра (рис. 1.2).
26
Рис. 1.2. Панель отображения данных вискозиметра
Выберите режим внешнего управления вискозиметром путем нажатия кнопки со знаком ↑ EXTERNAL MODE. Дисплей вискозиметра примет вид, аналогичный изображенному на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Панель отображения данных вискозиметра
6. Включить компьютер и запустить программу Rheocalc32.
Внешний вид окна программы представлен на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Внешний вид окна программы Rheocalc32
7. Установить «нуль» прибора следующим образом: в программе
Rheocalc32 нажмите на значок (красного цвета), при этом запус-
тится процедура автоматической установки «нуля» прибора (рис. 1.5).
27
№
вар.
Вид полимера
№
вар.
Вид полимера
1
Полиэтилен высокого давления
марки 15803-020-С
11
Полиэтилен высокого давления
марки 15803-020-С
2
Полиэтилен марки
ПЭ2НТ76-17
12
Полиэтилен марки
ПЭ2НТ76-17
3
Полиамид-6
13
Полиамид-6
4
Полиамид стеклонаполненный
марки ПА6-210-КС
14
Полиамид стеклонаполненный
марки ПА6-210-КС
5
Полистирол ударопрочный
марки УПМ-0508-08
15
Полистирол ударопрочный
марки УПМ-0508-08
6
Полистирол марки 825
16
Полистирол марки 825
7
Полистирол марки 825ES
17
Полистирол марки 825ES
8
Полиамид ПА66-КС
18
Полиамид ПА66-КС
9
Полиамид 66
19
Полиамид 66
10
Полиамид 6
угленаполненный
20
Полиамид 6
угленаполненный
Рис. 1.5. Установка «нуля» прибора
По истечении приблизительно 15 секунд красный цвет значка
поменяется на желтый цвет , что свидетельствует об окончание
процесса установки «нуля» прибора [52].
8. Наполнить корпус измерительного сосуда полимером на ¾
объема (вид полимера указан в табл. 1.1).
Таблица 1.1
Исходные данные
9. Установить измерительный сосуд в термоячейку (9) таким об-
разом, чтобы сосуд не вращался.
28
10. Выбрать шпиндель (SC4-21, SC4-27, SC4-29, SC4-29)
(рис. 1.6). Правильно выбирать такие шпиндели и скорости вращении, при которых отсчет момента лежит в диапазоне от 10 % до
100 %. При работе с вязкими веществами выбирайте маленькие
шпиндели и/или низкие скорости вращения. Если выбранный шпиндель/скорость вращения приводит к перегрузке, уменьшите скорость
или выберите меньший шпиндель.
Рис. 1.6. Окно выбора шпинделя
В ходе выбора может обнаружиться, что существует несколько
различных комбинаций шпиндель/скорость вращения, которые отвечают требованию попадания в диапазон отсчетов момента 10–100 %.
В этом случае может быть использована любая из приемлемых комбинаций.
11. Установить температуру плавления полимера (зависит от вида
полимера) на регуляторе температуры (рис. 1.7) следующим образом:
– нажать на кнопку PGM;
– кнопками ▲ и ▼ установить необходимое значение температуры;
– нажать кнопку RUN, температура начнет подниматься.
29
Рис. 1.7. Регулятор температуры
Дождитесь пока температура поднимется до заданного значения
и замерьте 5 минут для полного расплавления.
12. Подсоединить шпиндель к нижнему валу вискозиметра: слегка поднять вал и, крепко удерживая вал одной рукой, другой рукой
навернуть на него шпиндель (левая резьба!). Избегайте приложения
боковых усилий к валу вискозиметра. Опустите шпиндель в измерительный сосуд таким образом, чтобы он находился в верхней части
корпуса и был со всех сторон окружен испытуемым материалом.
Проверьте уровень погружения шпинделя и горизонтальной установки вискозиметра.
13. Перед измерением выдержать измерительный сосуд с погруженным в полимер шпинделем при заданной температуре не менее
10 мин.
14. Путем подбора (момент кручения должен быть в диапазоне
10–100 %) установить скорость вращения ротора (поз. 3, рис. 1.8) из
следующего ряда: 0,3; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 10,0;
12,0; 20,0; 30,0; 50,0; 60,0; 100,0. Перед снятием показаний шпиндель
должен выполнять не менее 5 оборотов.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]