26.Капиллярные и ротационные вискозиметры, их классификация и характеристика.

I. Ротационные вискозиметры.

Наилучшие приборы для установления истинной зависимости . Измерение вязкости с их помощью можно совмещать с измерениями упругости, ползучести, релаксации напряжения. В процессе испытаний регистрируется величина углового смещения вращающегося органа (ро­тора, конуса, диска) и строится диаграмма ”путь-время”, обработкой которой определяется величина угловой скорости . Полученные значения используют в расчетах . Диапазон измерения от до , а от до . На современных приборах возможны измерения от до . У ротационных вискозиметров с одна из рабочих поверхностей вращается с , а регистрируется скорость изменения момента вязкого сопротивления во времени. При быстрой остановке вращающейся поверх­ности следят за процессом релаксации напряжения при .

К этим приборам относятся вискозиметры Муни, Канавца, Торнера и др. У ротационных вискозиметров с к одной из измеритель­ных поверхностей прикладывается постоянный крутящий момент. Эти приборы просты, например, вискозиметры Стирля, Воларовича и др.

Т олько на ротационных вискозиметрах могут быть измерены нор­мальные напряжения. Дня исследования эффекта Вайсенберга наиболее удобны вискозиметры типа “конус-плоскость”, называемые реогониометрами. Нормальные напряжения в них замеряются путем уравнивания нор­мальных давлений, вызывающих подъем жидкости в трубках, имеющихся в теле неподвижного диска статора. По форме измерительных поверхностей ротационные вискозиметры делятся на типы “диск-диск”, “конус-конус”, “конус-плоскость”, “цилиндр-цилиндр” и др.

1) приборы “диск-диск” характеризуются наличием двух параллельно расположенных плоскостей, одна из которых вращается вокруг перпендикулярной в ней оси. Основная особенность этих приборов – рез­кое изменение в радиальном направлении. Они пригодны для высоковязких полимеров и непригодны для низковязких из-за самопроизвольного вытекания расплава из зазора.

2 ) приборы типа “конус-конус” имеют две конические коаксиальные поверхности, соприкасающиеся в одной точке своими вершинами. При небольшом различии углов внутреннего и наружного конусов достигается однородное поле. Используются для высоковязких полимеров.

3 ) приборы “конус-плоскость”. При обеспечивается высокая степень однородности поля , облегчается термостатированне, упрощается загрузка и чистка прибо­ра. В данном случае расчет напряжения сдвига производится по форму­ле:

(74)

А крутящий момент из выражения:

(75)

.

Скорость сдвига рассчитывается по формуле:

Из выражения (75):

4) приборы “цилиндр-цилиндр” являются наиболее распространенными. При малом различии в радиусах и достигается высокая степень однородности поля скоростей . Применяются для невысоковязких расплавов. Для построения кривой течения ньютоновской жидкости по данным на этих вискозиметрах при условии однородности поля можно использовать формулы:

; (76)

Если неоднородность поля не превышает 0,5%, то можно пользоваться следующими формулами:

; (77)

где

Если радиус наружного цилиндра значительно больше радиуса внутренне­го, то расчетные формулы существенно усложняются.

Ротационные приборы, предназначенные для измерения только вяз­кости без возможности изучения упругих свойств, называется эластовискозиметрами.

Пластомер Канавца – ротационный вискозиметр “цилиндр-цилиндр”, предназначен для изучения технологических свойств реактопластов под давлением до и до 200°С. . Размеры измерительного узла , , . Изменение силы сопротивления сдвигу во времени характеризует кинети­ку реакции отверждения. В одном опыте одновременно определяется те­кучесть и скорость отверждения реактопластов. В последнее время раз­работан промышленный вариант – промышленный пластомер реактопластов ППР-1, позволяющий проводить измерения в диапазоне от до .

Пластограф фирмы “Брабендер” предназначен для оценки вязкости расплавов термопластов, процессов структурирования реактопластов и способности материалов к переработке. Оборудован измерительной головкой, состоящей из камеры в форме восьмерки, внутри которой в противоположных направлениях вращаются два сигмоидальных ротора (соотношение скоростей вращения 3:2). На диаграмме регистрируется зависимость крутящего момента от времени при фиксированной скорости вращения роторов.

Ротационные вискозиметры имеют ряд недостатков: разрушается структура испытуемого материала при загрузке; самопроизвольное вытекание из зазоров расплавов, требующее тщательной герметизации; труд­ность отвода тепла, сложная конструкция приборов. Поэтому более широко распространены капиллярные вискозиметры.

II. Капиллярные вискозиметры

Обладают рядом преимуществ перед ротационными: конструкционная простота, широкий диапазон градиентов скорости (до ) без больших тепловыделений, возможность оценки вязкоупругих свойств расплавов полимеров. Недостатки: необходимость спецмер для исключе­ния входовых эффектов (использование длинных капилляров либо использование дифференциальной методики, т.е. использование капилляров одинакового , но разной длины, проводя опыт дважды); переменность по сечению поля и ;

По режиму испытания все капиллярные вискозиметры делятся на:

а) вискозиметры постоянного давления (приближаются к режиму );

б) постоянного расхода ( );

в) с заданным законом изменения или ;

Принцип действия этих приборов основан на продавливании гомогени­зированного расплава через капилляр определенных размеров. Зависи­мость между и устанавливается косвенно по расходу жидкости и перепаду давления в капиллярах. Полученные данные по объемной скорости истечения обрабатываются методом Рабиновича-Вайсенберга для расчета величины пристенного значения скорости сдвига . Постулируются следующие условия:

1. кривая течения не зависит от времени, т.е. в процессе испытания полимер не деструктирует;

2. отсутствует пристенное скольжение.

(78)

где - средняя скорость течения.

Метод позволяет установить связь между напряжением сдвига на стенке и скоростью сдвига на стенке по формуле (78). Если опыты проводят на одном капилляре, то по полученной экспериментально зависимости расхода от перепада давлений можно рассчитать зна­чение по формуле:

(79)

где - радиус и длина капилляра, см;

- входовая поправка.

Наиболее распространенные типы капиллярных вискозиметров:

1. КВПД (постоянного давления)

Состоит из вискозиметрической бомбы-резервуара, содержащего полимер и снабженного сменным капилляром различных радиусов и длин; устрой­ства для нагревания и термостатирования; системы задания, поддерживания и измерения давлений, вызывающих течения расплава в капил­лярной насадке.

2. Прибор ИИРТ

Предназначен для определения индекса расплава термопласта, с помощью которого оценивают его переработываемость. Индекс расплава ИР числен­но равен количеству граммов полимера, вытекающего при определенной через сопло за 10 мин.

(86)

где - перемещение поршня в см за время ;

- плотность расплава при температуре опыта, .

3.Микровискозимерт МВ-2

Капиллярный вискозиметр постоянных давлений, позволяющий на 1 г поли­мера охарактеризовать вязкостные свойства в зависимости от изменения , а также оценить индекс расплава термопласта; от до достигается различным давлением на расплав, а также сменным капилляром, длиной 8 мм и диаметром от 0,5 до 3,2 мм; изменяется до 350°С; среда – воздух или инертный газ. Длина цилинд­ра всего 52 мм, диаметр цилиндра и поршня соответствует стандартам по . Выбор капилляра определяется ожидаемой вязкостью расплава. Таблетки прессуют при .

4. Экструзионные реометры

Состоят из экструдера с головкой, в которую вмонтирован капилляр. Имеются датчики и расплава. В таких реометрах реологические свой­ства полимеров оцениваются в условиях переработки. Недостатком этих приборов является большой расход исследуемого материала.

Лекция № 9(пластмассы)