-
Реология полимеров
-
Цель работы
Изучение реологических свойств полимеров, определение их динамической вязкости.
4.2 Теоретические предпосылки
Реологией называют науку, изучающую закономерности деформирования и течения вещества.
Течение растворов и расплавов полимеров, а также суспензии играет очень существенную роль при переработке пластмасс в изделия, в процессах склеивания и создания защитно-декоративных покрытий. Действующие при этом закономерности очень сложны.
Течение – это результат взаимного перемещения молекул или их структурных образований. Различают ньютоновское и неньютоновское течения и соответственно ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Ньютоновскими называют жидкости, у которых скорость сдвига (течения d/dt) прямо пропорциональна приложенному напряжению (рисунок 2, кривая 1).
=* d/dt, (2)
где - коэффициент вязкости, обычно называемый просто вязкостью.
Вязкость любых жидкостей определяется внутренним трением, возникающим между их слоями при перемещении под действием внешних сил. Вязкость ньютоновской жидкости при постоянной температуре постоянна и не зависит от скорости сдвига.
=/ d/dt=const=ctg , (3)
где - угол наклона линии к оси абсцисс.
1 – ньютоновское,
2 – псевдопластическое,
3 – дилатантное,
4 – бингамовское,
5 – пластическое,
6 – пластическое дилатантное.
Рисунок 2 – Кривые течения жидкостей
Коэффициент вязкости ,
выраженный в (Па
с)
называют динамической вязкостью.
Коэффициент динамической вязкости,
отнесенный к плотности жидкости,
называется кинематической вязкостью.
С достаточной для практических целей точностью ньютоновскими можно считать многие чистые жидкости (например, вода, растворители, разбавители), у которых вязкость примерно постоянна до очень высоких значений приложенного напряжения.
Однако у огромного большинства жидкостей наблюдается зависимость вязкости от скорости сдвига. Такие жидкости получили название неньютоновских. В зависимости от физической природы (раствор, расплав, слабо или сильно наполненная дисперсия) и степени проявления взаимодействующих сил они характеризуются разными видами течения (рисунок 2, кривые 2, 3, 4, 5, 6). Для кривых 2 и 3 справедливо соотношение:
=
(d/dt)n,
(4)
где n – показатель, характеризующий степень отклонения от линейной зависимости.
Для псевдопластического течения (кривая 2) по мере увеличения напряжения скорость сдвига растет быстрее, чем напряжение, и, следовательно, понижается вязкость (n<1).
Группа кривых 4, 5, 6 характеризует течение с предельным напряжением сдвига кр. При малых напряжениях (<кр) такая жидкость не течет пластически, не деформируется. Скорость сдвига при этом равна 0, а коэффициент вязкости стремится к бесконечности. Это значит, что такую жидкость можно рассматривать как твердое тело, а течение ее следует понимать не как деформацию текучести, а как перемещение недеформируемого твердого тела в целом.
=кр+
(d/dt)n
(5)
Течение системы при n<1 называется пластическим, а при n>1 – пластическим дилатантным. При n=1 течение становится бингамовским.
Дилатантное течение материалов проявляется реже, чем пластическое. Оно характерно для очень концентрированных суспензий в воде. Проявление ими дилатантных свойств может привести к поломке перемешивающих устройств или выходу из строя насосов.
Поведение пигментированных (а также наполненных) систем при механическом воздействии на них имеет большое значение для технологии их производства, а также при нанесении на поверхность.
Особый интерес при этом представляет тиксотропия. Тиксотропией называется уменьшение вязкости раствора полимера при механическом воздействии на него и восстановление прежней вязкости в состоянии покоя (снятия механического воздействия). Восстановление вязкости и структуры предотвращает стекание материалов с наклонных и вертикальных поверхностей.
Истинное представление о реологических свойствах полимеров и материалов на их основе можно получить лишь на ротационных вискозиметрах: РВ-8, эластовискозиметре Михайлова, реоадгезиметре РА-2, вискозиметре с коаксиальными цилиндрами (прибор Шведова), приборе Вейлера-Ребиндера.
Принципиальная схема ротационного вискозиметра РВ-8 показана на рисунке 3, а общий вид на рисунке 4.
Вискозиметр конструктивно можно разделить на 2 части: нижнюю с укрепленной на ней стойкой и перемещающуюся по стойке верхнюю основную часть.
Верхняя часть прибора представляет собой термоизолированную плиту 1, к которой крепится наружный цилиндр (стакан) 2, блоки 3, сектор 4 со шкалой для отсчета угла поворота внутреннего цилиндра и втулка 5.
Во втулке установлены шарикоподшипники, в которых соосно с наружным цилиндром вращается валик. На его нижнем конце укреплен внутренний цилиндр, а на верхний конец на шпонке посажен приводной
1 – наружный цилиндр,
2 – внутренний цилиндр,
3 – исследуемый состав,
4 – плита корпуса,
5 – приводной шкив,
6 – блок.
Рисунок 3 – Принципиальная схема вискозиметра РВ-8.
шкив 6 и стрелка 7 для указания угла поворота внутреннего цилиндра. Положение верхней части на стойке фиксируется с помощью зажимного винта 8.
Нижняя часть прибора состоит из основания 9, к которому крепится термостат 10 и стойка 11; для выверки вискозиметра по отвесу служат винтовые опоры 12.
Вращение внутреннего цилиндра происходит под действием веса чашек с грузом 13, вызывающего разматывание нити со шкива 6.
Исследуемые составы деформируются между неподвижным и вращающимся внутренним цилиндрами. Напряжение на жидкость создается массой чашек с грузом Р, воздействующих на шкив 6. Смещение жидкости определяется при наблюдении за временем t вращения нескольких оборотов n внутреннего цилиндра.
По времени t и числу оборотов n вычисляется установившаяся угловая скорость вращения внутреннего цилиндра N;
N = n/t, c-1 (6)
Градиент смещения d/dt определяется с учетом конструктивных размеров прибора по формуле:
d/dt = 36,1 N, c-1 (7)
Действующее (усредненное) напряжение вычисляется по формуле:
= 11,36
Р/h,
Па (8)
Где Р – масса двух чашек с установленным на них грузом, Н;
h – высота слоя материала в кольцевом зазоре, м.
Динамическую вязкость (Па*с) рассчитывают по формуле
= / (d/dt). (9)
1 – термоизолированная плита, 2 – наружный цилиндр, 3 – блок, 4 – сектор со шкалой отсчета, 5 – опорная втулка, 6 – приводной шкив, 7 – указательная стрелка, 8 – зажимной винт, 9 – основание прибора, 10 – термостат, 11 – стойка, 12 – винтовые опоры.
Рисунок 4 – Общий вид ротационного вискозиметра РВ – 8.
4.3 Оборудование, приборы, материалы
Ротационный вискозиметр РВ – 8, секундомер, измерительная линейка, аналитические или технические весы. Пара наборов разновесов Г-3-1110, исследуемый материал.
4.4 Порядок проведения работы
Исследуемый материал в количестве 30 г загружают в цилиндр вискозиметра и закрепляют его на плите прибора. Вращая приводной шкив, наматывают на него нити и поднимают чашки в верхнее положение. Запирают шкив с помощью стопора.
На чашки устанавливают начальный груз, а стрелку – указатель совмещают с нулевым делением измерительной шкалы.
Отпускают стопор, одновременно включая секундомер, и наблюдают вращение стрелки-указателя примерно в течение минуты, отмечая по шкале угол поворота (или полное число оборотов). Результаты наблюдений (нагрузка Р, число оборотов n и время вращения t) записывают в журнал (таблица 2). Увеличивая нагрузку, продолжают наблюдения за все большим числом оборотов.
После окончания испытаний снимают наружный цилиндр и измеряют линейкой высоту подъема жидкости в кольцевом зазоре. Обработку результатов наблюдений ведут в порядке таблицы 2.
После обработки результатов наблюдений строят зависимость градиента смещения от касательного напряжения и делают вывод о реологическом поведении (виде течения) испытуемой жидкости.
Таблица 2 – Результаты замеров на ротационном вискозиметре РВ–8 зависимости градиента скорости d/dt от напряжения для состава МЧШ
|
Р, Н |
n, об |
t,c |
tср,с |
N = n/tcр, c-1 |
h, м |
=11,36P/h Па |
d/dt= 36,1 N c-1 |
=/d/dt, Па* с |
|
51,85.10-2
101,85. 10-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2357,9*10-2 |
1
6
8 |
182-151-182-181-182-171 -258-142-129-180-107
0,8-0,6-0,7-0,6-0,7-0,8 |
187 139,6
0,7 |
0,00535 0,0429
11,44 |
0,085 0,085
0,085 |
71,0 139,4
321,5 |
0,1954 1,552
412 |
367,0 89,8
7,8 |