Приборы для получения кривых течения

Приборы для определения вязкости называются вискозиметрами. Большинство их можно разделить на две группы: капиллярные и ротационные. В капиллярных (рис. 36, а) полимер запрессовывается в рабочую камеру 1 и под давлением плунжера 2 продавливается через капилляр 3, из которого выходит струя 4, диаметр которой несколько больше диаметра капилляра. Увеличивая давление на плунжер, мы измеряем, скорость его движения и по полученным данным строим кривую течения в координатах, показанных на рис. 34 или 35. Условия сдвига в капиллярном вискозиметре очень близки к условиям, в которых полимер перерабатывается методом литья под давлением или экструзией (шприцеванием), если имеется возможность задать давления в рабочей камере, близкие к производственным.

Можно запрессовать полимер в зазор между двумя цилиндрами, из которых один вращается, а другой неподвижен, как это показано на рис. 36, б. При этом возможны два варианта: к внутреннему подвижному цилиндру прикладывается определенный крутящий момент (например, действием грузов, перекинутых через блоки) либо этот цилиндр соединяется с мотором, заданное число оборотов.

Рис.36 Схема рабочего узла капиллярного (а) и ротационного (б) вискозиметров: 1 – расплав полимера в рабочей камере; 2 – плунжер, создающий напряжение сдвига τ; 3 – капилляр, в котором течёт расплав полимера; 4 – струя полимера, выходящая из отверстия капилляра.

На ось внутреннего цилиндра наклеивается тензодатчик, измеряющий напряжение, возникающее при вращении с заданной скоростью. Эти данные являются основой для построения кривой течения, как и в случае капиллярного вискозиметра. Ротационные приборы позволяют измерить не только скорость необратимой деформации, но и величину упругой (высокоэластической) деформации. Для этого нужно только остановить внутренний цилиндр и наблюдать его медленное перемещение в обратном направлении, которое прекратится, как только исчезнет высокоэластическая деформация.

5.2 Закон течения полимеров

Деформация идеально упругого тела описывается законом Гука (деформация пропорциональна приложенному напряжению). Деформация идеально вязкого тела описывается законом Ньютона (скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению). Большинство тел не являются идеально упругими или идеально вязкими. Важнейшей научной проблемой является, поэтому формулировка закона, который бы описывал деформацию реальных тел, в которых нельзя пренебречь изменениями структуры при деформации.

Для полимеров наиболее типична кривая течения 2 (рис. 34 и 35). Наибольшее распространение для ее описания получила формула, предложенная Оствальдом и Де-Вилом:

τ=η·υⁿ (42)

которая от закона Ньютона (41) отличается тем, что в нее скорость сдвига входит в степени n. Это выражение и получило название степенного закона течения или закона Оствальда – Де-Вила. Сравнить закон Ньютона и степенной закон можно изобразив экспериментальные данные в логарифмических координатах:

lgτ=lgη₀+lgυ, (43)

lgτ=lgη+nlgυ (44)

Как видим, оба уравнения в логарифмических координатах выражаются прямой линией, однако тангенс угла наклона кривой (43) рис. равен единице, а тангенс угла наклона кривой (44) равен n, что и показано на рис. 37. Экспериментальные данные, полученные для растворов или расплавов полимеров с помощью вискозиметра, хорошо описываются прямыми линиями в координатах рис.66.

Рис.37 Кривые течения в логарифмических координатах для ньютоновской (1) и псевдопластичной жидкости (2).

Показатель степени n носит название индекс течения. Он мало зависит от скорости и напряжения сдвига. Можно считать его постоянным при изменении скорости или напряжения сдвига в 100-1000 раз. Это значит, что при таком большом изменении напряжения сдвига логарифм скорости сдвига пропорционален логарифму напряжения сдвига, т.е. соблюдается степенной закон течения (42).

В технологической практике часто для оценки вязкости раствора или расплава полимера применяют показатель, называемый индексом расплава. Он ничего общего не имеет с индексом течения. Индекс расплава определяют в граммах полимера, прошедшего через капилляр данного диаметра и длинны, за время и при температуре, также строго регламентированных стандартами или техническими условиями данной отрасли производства. Заранее задана и нагрузка, прилагаемая к расплаву извне. Чем меньше индекс расплава, тем больше вязкость.