Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы переработки полимерных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К аф едра «Химия и технология полимерных и композиционных материалов»
Э.Р. НОГАЧЕВА
А.Г. НОГАЧЕВ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПЕРЕРАБОТКИ ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Лабораторный практикум
Самара
Самарский государственный технический университет
2020
1
Печатается по решению методического совета инженерно-технологичес-
кого факультета, 2020 г.
УДК 678(076.5)
ББК 35.71я73
Н 767
Ногачева Э.Р.
Теоретические основы переработки полимерных материалов: лабора-
торный практикум / Э.Р. Ногачева, А.Г. Ногачев. – Самара: Самар. гос. техн.
ун-т, 2020. – 58 с.
Дано представление о теоретических основах переработки полимерных
материалов: рассмотрены вопросы реологии и теплопередачи в процессах переработки полимерных, в том числе порохов и твердых ракетных топлив. Также
приведены методики определения реологических свойств чистых и наполненных полимеров (пороха и твердые ракетные топлив), а также теплопроводности
полимерных материалов.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 18.05.01
«Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», специализации «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых
ракетных топлив» при изучении курса «Теоретические основы переработки полимерных материалов».
Р ец ензенты: д-р техн. наук С.Ю. Ганигин,
канд. хим. наук И.Н. Ягрушкина
УДК 678(076.5)
ББК 35.71я73
Н 767
© Э.Р. Ногачева, А.Г. Ногачев, 2020
© Самарский государственный
технический университет, 2020
2
ВВЕДЕНИЕ
Одной из немаловажных составляющих при изучении процессов
переработки полимерных материалов (экструзии, литья под давлением, прессования и т.д.) выступает изучение теоретических основ их
переработки, основными составляющими которых являются реология
и теплопередача.
Теоретическая часть лабораторного практикума предлагает ознакомиться с основами реологии и теплопроводности полимеров,
в том числе наполненных (порохов и твердых ракетных топлив).
Более подробно теоретический материал изложен в учебном пособии Э.Р. Ногачевой и А.Г. Ногачева «Теоретические основы переработки пластмасс».
Экспериментальная часть практикума описывает порядок выполнения лабораторных работ, который состоит из следующих пунктов:
цель работы, приборы и материалы, последовательность выполнения
работ, полученные результаты и их обработка, содержание отчета
о лабораторной работе. После выполнения лабораторной работы студентам предлагается ответить на контрольные вопросы, которые помогут закрепить полученные теоретические и практические знания.
Выполнение лабораторных работ по реологическим и теплофизическим свойствам полимерных материалов в рамках дисциплины
«Теоретические основы переработки полимерных материалов» направлено на подготовку студентов к самостоятельной работе на вискозиметрах, пластометрах, измерителе теплопроводности, которые
позволяют измерять характеристики при различных условиях проведения эксперимента. Данные знания и умения могут пригодиться при
работе на предприятиях по производству полимерных материалов,
в том числе порохов и твердых ракетных топлив.
3
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. РЕОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ
Переработка полимерных материалов представляет собой совокупность технологических приемов, методов и процессов, посредством которых исходный полимер превращают в различные изделия
с заданными эксплуатационными характеристиками.
В области переработки полимеров можно выделить четыре основных направления:
1. Приготовление композиций, обладающих свойствами, отлич-
ными от свойств основного полимера.
2. Изготовление изделий из термопластичных материалов.
3. Изготовление изделий из термореактивных материалов (термо-
реактивные пластмассы, резиновые смеси).
4. Изготовление изделий непосредственно из мономеров. В на-
стоящее время в промышленности переработки полимеров более широко представлены первые три направления. Вследствие этого наиболее глубоко разработаны соответствующие технологические процессы и методы их теоретического описания.
Вследствие большой производительности современного перерабатывающего оборудования и высокой стоимости технологических
линий проведение экспериментальных исследований реального процесса переработки полимеров, даже осуществленных с применением
современных методов экстремального планирования, превращается
в дорогостоящую и продолжительную работу.
Совершенно очевидно, что задача экспериментального установления оптимума по любому выбранному комплексу параметров потребует длительных экспериментов. Поэтому целесообразно изучать
особенность каждого конкретного процесса, рассматривая вначале
его теоретическое описание, т.е. его математическую модель.
При таком подходе в каждом конкретном случае этапу физического эксперимента (будь то создание несложной установки, конструирование технологической линии или опробование нового технологического режима) всегда предшествует этап теоретического экс-
4
перимента. На этом этапе нет необходимости прибегать к реальным
экспериментам, вместо этого исследуются количественные характеристики процесса, полученные расчетным методом.
Такой подход позволяет существенно снизить объем физического
эксперимента, поскольку прибегать к нему приходится на самой последней стадии – не в процессе поиска основных закономерностей,
а для проверки и уточнения выданных рекомендаций.
Для того чтобы выбранная математическая модель количественно
отражала реальность процесса, необходимо знать реологические характеристики перерабатываемого материала при различных воздействиях на него. Наука, которая изучает характеристики текучести и деформации материалов под воздействием приложенных сил, называется реологией [1].
1.1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Реологические свойства характеризуют поведение полимерных систем при деформировании. Также они определяют зависимость между
напряжениями, деформациями и скоростями деформаций. Эти зависимости, измеренные при различных температурах для полимеров разной
молекулярной массы и полимерных систем разного состава, дают важную информацию об их структуре и структурных превращениях.
Основными реологическими характеристиками полимерных материалов являются показатель текучести расплава и вязкость полимеров.
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.
5
ПТР определяют на приборах, принцип действия которых заключается в следующем: термопластичный материал, находящийся в вертикальном цилиндре, при помощи специального поршня под воздействием определенной нагрузки выдавливают через фильеру [2, 3].
Текучесть термореактивных полимеров определяется по методу
Рашига. Навеску материала в виде порошка или таблетки помещают
в загрузочную камеру пресс-формы, которую предварительно нагревают до температуры испытания. Затем опускают пуансон и в течение 20 с создается удельное давление в камере 30±2,5 МПа. Время
выдержки 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 [4].
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.
Конечно, эти значения несколько условны, так как подбором темпе-
ратуры расплава вязкость можно изменять в достаточно широком интервале, что позволяет высоковязкие полимеры перерабатывать литьем под
давлением, а низковязкие – экструзией [2, 5].
Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление ее течению по действию сдвига. Для определения вязкости существуют различные типы приборов, которые различаются по принципу ее определения:
1) измерение зависимости угловой скорости вращения стержня, по-
мещенного в испытуемое вещество, от величины вращающего момента;
2) измерение зависимости скорости погружения шара в вещество
от величины нагрузки на него;
6
3) измерение зависимости скорости течения вещества через от-
верстие от величин нагрузки на нее.
Приборы для измерения вязкости также можно разделить на:
а) капиллярные (вискозиметры истечения), которые предназначены для определения кинематической вязкости различных веществ;
б) ротационные вискозиметры, которые предназначены для опре-
деления динамической вязкости различных веществ (например, вискозиметр Brookfield DV-II+Pro);
в) вискозиметры с падающим телом, которые предназначены для
определения динамической вязкости различных веществ (например,
вискозиметр Гепплера) [2].
Выделяют два типа вязкости:
– динамическая вязкость (Па·с или П) представляет собой сопротивление, которое оказывается 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/сек:
, (1)
где – напряжение сдвига,
– скорость сдвига;
– кинематическая вязкость (ст) представляет собой отношение
абсолютной вязкости данной жидкости к ее плотности при той же
температуре:
, (2)
где – плотность [2].
Понятия напряжения сдвига и скорости сдвига можно рассмотреть на примере рис. 1, где изображены два слоя жидкости (A и B),
которые двигаются друг относительно друга под действием приложенной внешней силы. Во время течения жидкости в ней действует
сила, которая сопротивляется течению. Эта сила называется напряжением сдвига. Ее можно представить как силу трения, которая воз-
7
никает при движении двух слоев жидкости друг относительно друга.
),,,,,( VtPTSf
Так как сдвиг легче происходит между слоями жидкости, чем между
внешним слоем жидкости и стенкой трубы, жидкость, соприкасающаяся со стенкой, не течет. Скорость движения одного слоя относительно другого называется скоростью сдвига. Таким образом, скорость сдвига является градиентом скорости [6].
Рис. 1. Схематическое изображение течения
Величина вязкости зависит от нескольких параметров:
, (3)
где параметр «S» связан с физико-химической природой вещества;
параметр «Т» связан с температурой вещества, которая оказывает
сильное влияние на значение вязкости;
параметр «Р» связан с давлением, не всегда учитывают данный
параметр при измерении вязкости;
параметр «
» связан со скоростью сдвига, оказывает сильное
влияние на значение вязкости многих жидкостей;
параметр «t» связан со временем;
параметр «V» связан с электрическим напряжением, оказывает
влияние только на суспензии, характер течения которых зависит от
величины действующих на них электрических полей [6].
Математически описана зависимость вязкости от следующих параметров: свободного объема, температуры и давления, молекулярной массы полимера и условий деформирования.
8
1. Зависимость вязкости от свободного объема.
f
1
ТR
ΔЕ
А exp
ΔЕ
R
Т
Одной из формул, описывающих данную зависимость, является
формула Бачинского:
, (4)
где – молярный объем жидкости,
– собственный объем молекулы [7].
2. Зависимость вязкости от температуры.
Температурная зависимость вязкости существенно влияет на технологические свойства расплавов полимеров, определяет выбор режимов переработки, качество изделий и требования к контрольнорегулирующей аппаратуре. При увеличении температуры вязкость
уменьшается, но у различных типов полимеров изменение вязкости
различно.
Наиболее известное уравнение, описывающее данную зависимость, – это уравнение Аррениуса:
, (5)
где А – константа,
– энергия активации вязкого течения,
– универсальная газовая постоянная,
– абсолютная температура.
Уравнение (5) применимо только при изменении температуры
расплава полимера в диапазоне 30–40 К [2].
3. Зависимость вязкости от давления.
Процессы переработки полимеров осуществляются при высоких
давлениях (до 50–150 МПа при литье, прессовании и экструзии).
В связи с данным фактором немаловажной 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.
9
Зависимость вязкости от давления можно описать с помощью
Pexp
ат м
ат м
m
M
m
КМ
1n
k
k
n
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].
Зависимость вязкости от скорости сдвига можно также показать
графически в виде кривой вязкости (рис. 2).
Рис. 2. Кривая вязкости
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]