3.2. Реологічні властивості наповнених полімерів

Реологія вивчає плин рідин, у яких поряд з в’язкістю існує помітна оборотна деформація. Назва походить від двох грецьких слів «рео» − текти і «логія» − наука, тобто реологія − це наука про плин матеріалів. Головним чином, реологія вивчає властивості полімерів у в’язкоплинному стані (властивості розчинів і розплавів полімерів). Вона є теоретичною основою їхньої переробки.

3.2.1. Типи реологічної поведінки полімерів

Охарактеризувати реологічну поведінку полімеру можна, установивши залежність в’язкості розчину або розплаву цього полімеру η від напруження τ або від швидкості зсуву (рис. 3.4) і одержавши за цим криві плину.

Найпростішим є випадок, коли напруження зсуву в полімері пропорційно швидкості зсуву: – закон Ньютона (крива 1 рис. 3.4).

Рис. 3.4. Типи кривих плину: 1 – ідеальна ньютонівська рідина (n = 1); 2 – псевдопластична рідина (n < 1; для дилатантних рідин − n > 1); 3 – ідеально пластичне тіло (тіло Бінгама); 4 − неідеально пластичне тіло; Θ3 і Θ4 – граничні напруження зсуву (границі плинності)

Такий самий тип кривої характерний для полімерів з вузьким молекулярно-масовим розподілом і у переробці полімерів зустрічається доволі рідко.

Звичайно з ростом напруження зсуву швидкість плину зростає швидше, ніж це випливає із закону Ньютона (крива 2 рис. 3.4), крива плину для псевдопластичних рідин (чим більше напруження зсуву, тим менше в’язкість) має вигляд: – степеневе рівняння або рівняння Освальда – де Віля.

Падіння в’язкості зі зростанням напруження зсуву називається аномалією в’язкості, а величину в’язкості, що залежить від напруження зсуву, k називають ефективною в’язкістю.

У разі введення у полімери наповнювачів (особливо волокнистих) частки наповнювача утворять ланцюжкові структури, що з’єднуються в просторовий каркас, який має значну пружність. За накладення напруження зсуву такі системи спочатку не течуть, тобто напруження зсуву росте, а швидкість плину залишається нульовою (криві 3 й 4): .

Існує деяке граничне напруження зсуву – границя плинності, за якою система тече або як ньютонівська, або як неньютонівська рідина. Полімери, плин яких починається при будь-якому напруженні зсуву, називаються в’язкими; полімери, які характеризуються наявністю граничної напруження зсуву, нижче якої плин не розвивається, називаються пластичними.

3.2.2. В’язкість за зсувного плину

Серед різних механічних властивостей полімерних матеріалів, найбільш важливою у практичному відношенні є в’язкість їхніх розчинів і розплавів, вимірювана за зсувного плину. Звичайно в’язкістю називають коефіцієнт пропорційності між дотичним напруженням τ і швидкістю зсуву ( = dγ/dt). За законом Ньютона

,

(3.1)

де η - ньютонівська в’язкість. Звідки

Для багатьох рідин коефіцієнт η є константою, що залежить тільки від температури і тиску. Це так звані ньютонівські рідини. У той же час для розчинів і розплавів полімерів відношення може залежати як від швидкості й напруження зсуву, так і від механічної передісторії цих систем. У цих випадках η називають «ефективною» в’язкістю, а рідини, у яких в’язкість залежить від режимів деформування, називають аномально в’язкими або неньютонівськими. Функція η( ) звичайно є убутною, тому що ефективна в’язкість залежить від швидкості й напруження зсуву. Величину називають найбільшою ньютонівською в’язкістю, а – найменшою ньютонівською в’язкістю.

Сукупність залежностей в’язкості полімерних систем від температури, тиску й режимів деформації визначає їх в’язкісні властивості, які обумовлені природою й складом цих систем.

Поряд із зсувними деформаціями підчас плину полімерів відбувається їхній розтяг в напрямі плину, наприклад, під дією нормального напруження σ₁₁. Повний тензор напружень Т_ji має вигляд:

Швидкість деформації розтягу може бути надана у вигляді . Її називають граничним градієнтом швидкості, оскільки вона залежить від перепаду лінійних швидкостей переміщення суміжних шарів у зразку полімеру, який тече.

Розтяг рідин підчас плину був вперше вивчений Трутоном, який за аналогією із законом Ньютона зв’язав швидкість деформації розтягу (поздовжній градієнт швидкості) з нормальним напруженням , де λ − коефіцієнт пропорційності, називаний поздовжньою в’язкістю. Її вимірюють в тих же одиницях, що й зсувну в’язкість η (Па·с або Пз); , також як і

,

(3.2)

де Е і G – відповідно поздовжній і зсувний модулі пружності.

Процеси руйнування або утворення структур у полімерній системі, що тече, можливі й за постійної швидкості зсуву. Якщо для здійснення плину рідини з постійною швидкістю зсуву потрібне поступово зменшуване у часі напруження (до якоїсь межі), то таку рідину називають тиксотропною. А саме явище зниження в’язкості системи за рахунок руйнування наявної в ній структурної організації підчас плину з постійною швидкістю отримало назву тиксотропія. Протилежне явище − підвищення в часі в’язкості системи підчас плину з постійною швидкістю за рахунок формування в ній нових міжмолекулярних контактів, які не могли реалізуватися до плину, називають реопексією.