Реология полимеров

4.1 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 dg/dt) прямо пропорциональна приложенному напряжению t (рисунок 2, кривая 1).

t =h* dg/dt, (2)

где h - 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.

h= t/ dg/dt=const=ctg j, (3)

где j - 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 h, 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:

t= h (dg/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 t_кр. При малых напряжениях (t<t_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.

t=t_кр+ h (dg/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 dg/dt определяется с учетом конструктивных размеров прибора по формуле:

dg/dt = 36,1 N, c^-1 (7)

Действующее (усредненное) напряжение вычисляется по формуле:

t = 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 h (Па*с) рассчитывают по формуле

h = t/ (dg/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 dg/dt от напряжения t для состава МЧШ

Р, Н	n, об	t,c	tср,с	N = n/tcр, c^-1	h, м	t=11,36P/h Па	dg/dt= 36,1 N c^-1	h=t/dg/dt, Па* с
51,85.10^-2   101,85. 10^-2 ... ... ... ... ... ... 2357,9*10^-2		182-151-182-181-182-171 -258-142-129-180-107   0,8-0,6-0,7-0,6-0,7-0,8	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	367,0 89,8     7,8

Дата добавления: 2015-07-08