6.4. Релаксационные спектры

Деформирование полимерных систем, находящихся в текучем состоянии, приводит к изменению их внутренней структуры, что сопровождается развитием аномалии вязкости, высокоэластических деформаций, нормальных напряжений. Все это является следствием изменений релаксационных свойств системы под влиянием внешних нагрузок. Для того чтобы могло развиться установившееся течение, должны подвергнуться разрушению наиболее долгоживущие, т.е. медленно релаксирующие элементы структуры, сдерживавшие достижение установившегося режима течения. Это означает, что в релаксационном спектре должна усекаться длинно-временная часть. Эта идея количественно сформулирована А.Леоновым при построении нелинейной теории тиксотропной вязкоупругости полимерных систем.

Существуют три независимых методики определения релаксационных свойств упруговязких текучих систем: динамические испытания, измерение релаксации напряжении после мгновенного задания постоянной деформации и после мгновенного прекращения установившегося течения. Кроме того, предложены методы определения релаксационного спектра расплавов полимеров исходя непосредственно из кривой течения:

, (6.4)

где - время релаксации, с.

В ряде работ проведено сопоставление результатов расчета релаксационного спектра для расплавов полимеров, вычисленного по методу Фуше, Ферри, де-Фризе-Тохона и приближению Тобольского-Мyраками. За истинный релаксационный спектр принят спектр, рассчитанный по формуле

, (6.5)

В работе Тонако с сотрудниками исследовалась релаксация нормальных напряжений. В данном случае существенным фактом является замедленность релаксации нормальных напряжений по сравнению с касательными.

Наиболее часто спектры времен релаксаций вычисляются приближенными методами. Одним из них является метод Вильямса-Ферри, согласно которому спектр времен релаксации рассчитывается по данным динамических испытаний:

, (6.6)

, (6.7)

где и - упругий модуль и модуль потерь соответственно; и - коэффициенты.

Зная спектр времен релаксации, можно определить особенности механического поведения полимерных систем и любой момент времени.

6.5. Температурно-инвариантная характеристика аномалии вязкости

Для понимания сущности процесса переработки полимеров необходимо знать их реологические свойства в условиях, аналогичных переработке. Промышленное оборудование для переработки полимеров имеет скорости сдвига порядка 10¹-10³ с^-1. Вместе с тем известно, что непосредственное экспериментальное определение реологических характеристик полимеров при свыше 10¹—10² с^-1 - связано с большими трудностями. Для получения реологических характеристик материалов выше этих скоростей используется метод температурно-временной суперпозиции, впервые предложенный А. Александровым и Д. Лазуркиным. Сущность метода состоит в том, что экспериментальные данные, полученные при различных температурах, могут быть совмещены параллельным перемещением скорости сдвига вдоль оси логарифма.

Возможность распространения принципа температурно-временной суперпозиции на результаты реологических исследования вязкотекучих систем теоретически обоснована в работах Г.Виноградова с сотрудниками. В работах Р.Торнера предлагается применять данный принцип непосредственно к кривым течения. Для этого, выбрав температуру приведения, умножают все значения при других температурах на значение , а все значений - на коэффициент (индекс "0" означает, что соответствующая величина взята при температуре приведения Т₀). При этом результаты испытаний при различных температурах совпадают на одной общей кривой.

Аналогичные результаты получатся, если представить экспериментальные данные в координатах . Для большинства расплавов эластомеров величина мало отличается от единицы, поэтому ее без большой ошибки приравнивают единице.

Таким образом, для получения полных данных по изменению вязкости в зависимости от режима течения в широком диапазоне температур и скоростей деформаций достаточно получить кривую течения при какой-либо одной температуре, а также определить значения наибольшей ньютоновской вязкости в интересующем исследователя интервале температур.