Тонкой химической технологии

Тонкой химической технологии

Имени М. В. ЛОМОНОСОВА

О.Б. Ушакова

 

 

Реологические свойства термопластов

Лабораторный практикум по курсу ОТПП.

 

Москва 2010

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московская государственная академия

Тонкой химической технологии

Имени М.В.ЛОМОНОСОВА

 

 

Кафедра химии и технологии

                                                     переработки пластмасс и

                                                            полимерных композитов.

 

О.Б. Ушакова

Реологические свойства термопластов

Лабораторный практикум по курсу ОТПП

 

Утверждено библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В. Ломоносова в качестве учебно-методического пособия по дисциплине «Основы технологии переработ-ки пластмасс»  для студентов 4 курса, обуча-ющихся в бакалавриате по направлению 550800 «Химическая технология и биотехно-логия» и студентов 4 и 5 курсов специализа-ции 250601 «Технология изделий из пластмасс и композиционных материалов». Может быть полезна аспирантам и слушателям ГИПК МИТХТ.

 

Москва МИТХТ им. М.В. Ломоносова 

2010

УДК 678(076)

ББК 74.58

У                

               Рецензенты: к.т.н. проф. Буканов А.М. и

            д.т.н., проф. Абрамов В.В.

 

     Рекомендовано к изданию кафедрой химии и технологии

     переработки пластмасс МИТХТ (протокол № 6 от 18.02. 2010)

 

     План изданий поз № ………

 

        Ушакова О.Б.

У…    Реологические свойства термопластов. Лабораторный  

        практикум по курсу ОТПП.   М.: МИТХТ, 2010. – С.52

 

 

В практикуме рассмотрены методики определения свойств термопластичных материалов, связанных с реологическим поведением: показателя текучести расплава, кривых течения расплавов, термостабильности расплавов. Материалы лабораторного практикума могут быть полезны при выполнении экспериментальных разделов квалификацион-ных работ бакалавров, магистров и специалистов, а также для слушателей курсов повышения квалификации ГИПК МИТХТ.

 

                                                        УДК 678(076)

                                             ББК 74.58

        © О.Б. Ушакова, 2008

                                © МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008

 

Оглавление

 

	Стр.
Введение …………………………………….……………	3
1.1Кривые течения.	5
1.2 Показатель текучести расплава термопластов. ……	12
1.2 Кривые течения расплавов термопластов…………….
1.3. Термостабильность расплавов термопластов. ………	18
2. Лабораторные работы
2.1. Работа № 1 Методика оценки реологических   свойств термопластов по кривым течения……………	23
2.2. Работа №1 Определение показателя текучести   расплава термопластов. …………………………..……
2.3. Работа №3.Определение термостабильности           расплава полимера……………….….………………....
8. Работа №4. Определение деформационных характеристик расплавов термопластов при растяжении..
Приложение 1 - Условия определения ПТР некоторых термопластов…………………………………………………
Приложение 2 - Выбор условий для построения кривых течения расплавов полимеров на вискозиметре ИИРТ.……..
Приложение 3 - Рекомендуемые параметры переработки термопластов литьем под давлением. …..…………………

 

Введение

    Реологические свойства расплава - это комплекс харак-терис-тик, определяющих поведение расплава при деформи-ровании, зависимость между напряжениями, деформациями, температурой.

  Реологические характеристики полимеров, полученные при различных температурах и напряжениях сдвига, позво-ляют правильно выбрать метод переработки и рассчитать стадии процессов переработки полимерного материала в изделие.

Технологические свойства термопластов, как и других материалов, определяют технологию их переработки в изде-лия, выбор параметров процесса переработки и качество го-товых изделий.

К основным технологическим свойствам термопластов, определяющим пригодность марки материала к переработке определенным методом и технологические параметры пере-работки относятся показатель текучести расплава (ПТР), зависимости «напряжение сдвига – скорость сдвига» при различных температурах, называемые кривыми течения,

термостабильность расплава.

КРИВЫЕ ТЕЧЕНИЯ.

   Основными методами формования термопластов являются

литье под давлением, экструзия. Все они реализуются через про-цесс вязкого течения материала, которое является одним из видов деформирования – простым сдвигом. Для перемещения макро-молекул при течении надо преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия и изменить конформацию макромолекул.

При этом в полимере возникает сила внутреннего трения, величи-

на которой характеризуется коэффициентом вязкости или просто вязкостью η (Па^.с) расплава.

   В результате действия приложенной к расплаву внешней силы происходит его деформация. Мерой сопротивления деформации при простом сдвиге являются касательные напряжения сдвига, или сдвиговые напряжения τ (Па), а характеристикой скорости деформации – скорость деформации сдвига (или скорость сдвига) (с^-1).

Эти характеристики поведения расплава полимера при течении

связаны уравнением Оствальда - де Вилла:

                              τ = η ⁿ ,                                              (1)

называемым степенным уравнением течения, его графическая интерпретация – кривой течения расплава полимера. Исходя из уравнения (1), по абсциссе графика  следует откладывать скорость сдвига, а по ординате – напряжения сдвига.

Если расплав полимера обладает свойствами ньютоновс-

кой жидкости, то его вязкость не зависит от напряжения сдвига и

скорости сдвига, при этом п – индекс течения – равен 1. Вязкость такого полимера является его физической константой, как и у низ-комолекулярных жидкостей. Такими свойствами могут обладать образцы полимеров с очень узким молекулярно-массовым распре-делением (ММР = 1,02 ¸1,05). Кривая течения таких расплавов и растворов в логарифмических координатах представляет собой прямую линию с углом наклона 45^о (рисунок 1).

Рисунок 1 – Кривые течения ньтоновских жидкостей:

низкомолекулярной (нмж) и высокомолекулярной (вмж).

 

       

 

 

Однако, расплавы ВМЖ обладают эластичностью и с ростом на-пряжения сдвига наступает такой момент (критическое напряже-ниесдвига, т.В на рисунке 1), когда рост эластической деформа-ции делает расплав настолько упругим, что он как резиновая пробка кусками выталкивается из капилляра вискозиметра.

Для большинства расплавов критическое напряжение сдвига составляет (5 ¸6) ·10⁵Па. Таким образом, кривая течения ВМЖ не может быть продолжена при напряжениях выше τ кр, соответствующего моменту “ срыва струи”.

Течение НМЖ в ламинарном режиме прекращается при достижении критической скорости сдвига, после чего критерий Рейнольдса соответствует турбулентному характеру течения (Re ³ 2300), наступает срыв струи.

Однако, расплавы почти всех промышленных полимеров относятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит как от напряжения сдвига, так и скорости сдвига, а индекс течения отличется от I (n ≠1). В зависимости от величины n раз-личают дилатантные (n > 1) и псевдопластичные (n<1) жидкос-ти (рисунок 2). Для псевдопластичных жидкостей изменение скорости сдвига происходит быстрее, чем изменение напря-жения сдвига. Большинство расплавов полимеров при тече-нии проявляют псевдопластичные свойства.

 

Рисунок 2. Виды кривых течения полимеров

 

 

При известных значениях τ и  для расплава полимера рассчитывается эффективная вязкость расплава (η_эф ), характери-зующая одну точку на кривой течения и не являющаяся констан-той материала.

Классические (полные) кривые течения полимерных сис-тем (рисунок 3) имеют три участка:

I – участок наибольшей ньютоновской вязкости. На этом участке деформации сдвига очень невелики и интенсивности теп-лового движения макромолекул достаточно для того, чтобы успе-вала пройти релаксация упругих напряжений, и течение происхо-дит при практически неизменной надмолекулярной структуре поли-мера. Расплав ведет себя как ньютоновская жидкость (η = const);

Рисунок 3 – Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига для полимерных систем (полная кривая течения)

II – средний участок – носит название «структурной ветви». Он описывает течение расплава полимера в условиях, когдапроявля-ется аномалия вязкости: в полимере, из-за накопления упругих напряжений, которые не успевают релаксировать, перемещение сегментов прекращается при достижении своего τ кр для каждой фракции, и чем выше молекулярная масса, тем ниже напряжения сдвига, при которых это происходит. Часть полимера, для макро-молекул составляющих которую достигается τ кр, перестает учас-твовать в процессе течения, т.е. течение реализуется для фракций с меньшей молекулярной массой, а, следовательно, и меньшей вязкостью.    

Постепенно из процесса течения выбывают макомолекулы всё с меньшей ММ, а эффективная (кажущаяся) вязкость распла-ва снижается.

III – участок наименьшей ньютоновской вязкости. При высоких напряжениях сдвига (и скоростях сдвига) вязкость раст-воров, достигнув наименьшего значения η _min   (наименьшей ньютоновcкой вязкости) практически не меняется. Но для распла-вов термопластов такое явление никогда не наблюдается, так как при гораздо меньших τ наступает момент «срыва струи», когда полимер переходит в пробковый режим течения.

 

Влияние температуры на вязкость полимерного расплава (рисунок 4) описывается уравнением:

                               η  = А ,                                             (2)

где А – константа материала;  

    R = 8,3 Дж/моль – универсальная газовая постоянная;

  Е – энергия активации вязкого течения (определяется при 

 τ = соnst или  = соnst);

  Т – температура, К.

 

Для оценки реологических свойств расплавов термоплас-товиспользуют капиллярные или ротационные вискозиметры.

Полимерные расплавы обладают вязкоупругими свойствами, что приводит к потерям энергии при перестройке профиля скоростей при переходе расплава в капилляр из цилиндра вискозиметра и

при выходе струи расплава из капилляра, а также к потере энергии

 

Рисунок 4 – Влияние напряжения сдвига (скорости сдвига) на вязкость полимерных систем:

1 – ньютоновская жид-кость; 2 – псевдоплас-тичная жидкость

 

Рисунок 5 – Зависимость вязкости расплава полимера

                           от температуры.

при образовании вихревых потоков в «мертвых» зонах при переходе из цилиндра в капилляр. Это потери энергии на входовые эффекты и могут быть определены графическим методом или методом двух капилляров, через потери дав-ления.

На схеме (рисунок 6) показано изменение профиля скорости течения расплава при переходе потока из канала большего диаметра (D_k) в канал меньшего диаметра (d_k) и формирование вихревых потоков. Течение расплава идет под действием внешнего давления Р. В канале диаметром D_k тече-ние расплава носит установившийся характер и профиль ско-ростей в потоке параболический. При переходе в канал мень-шего диаметра он изменяется на трапецевидный, поток те-чет в неустановившемся режиме. Давление Р на входе в канал диаметром   d_k расходуется на перестройку течения от неустановившегося режима к установившемуся (вновь профиль становится параболическим) на некоторой длине канала L _вход (ΔР_вход) и на преодоление сопротивления тече-нию за счет вязкого трения на длине канала L _вязк (ΔР_вязк). Изменение давления на участке канала L _вход нелинейно, а на участке L _вязк пропорционально произведению L _вязк х η, т.е. линейно. Величина входовых потерь ΔР_вход  графически определяется как отрезок на оси ординат, отсекаемый продолже-нием линейного участка графика Р = f (L). Если продолжить эту линию до уровня, соответствующего Р, то опустив перпендику-ляр на ось L, можно найти фиктивную дополнительную длину

Рисунок 6 – Схема формирования входовых потерь

 

канала (L _фикт), на которую надо было бы удлинить канал, что-бы по всей его реальной длине реализовывалось вязкое течение.

Если продолжить эту линию до уровня, соответствующего Ро, то опустив перпендикуляр на ось L, можно найти фиктивную допол-нительную длину канала (L _фикт), на которую надо было бы удлинить канал, чтобы по всей его реальной длине реализовыва-лось вязкое течение.

ТЕРМОПЛАСТОВ

 

В промышленности для качественной оценки технологич-ности термопластов различных марок и партий используют пока-затель текучести расплава /ПТР/, который определяется по ГОСТ 11645-73 на приборе ИИТР (существует несколько модификаций этого прибора).

Показатель текучести расплава характеризует вязкость термопластов выше температуры текучести и выражается коли-чеством материала (в граммах), выдавленного через капилляр в течение 10 мин при стандартных для каждого полимера условиях (температура, груз, размеры капилляра и время прогрева матери-ала в цилиндре прибора).

Условия определения ПТР для некоторых термопластов приведены в Приложении 1 (в соответствии с ГОСТ 11645-73).

Оценка ПТР проводится на капилляре диаметром 9,48 мм дли-

ной 8 мм, диаметр отверстия капилляра – 2 мм (или 1мм).

ПТР =   г/10 мин,                 (3)

где m – средняя масса экструдата в опыте (загрузке), г;

  t – время выдавливания одного экструдата, с.

ПТР определяют при сравнительно низких скоростях (10⁰ –10¹с^-1)  и напряжениях сдвига, т.е. этот показатель ха-рактеризует вязкость (η _птр) при низких сдвиговых воздейст-виях и соответствует только одной точке на кривой течения.. При переработке экструзией скорости сдвига составляяют порядка 10¹-10² с^-1, при литье под давлением скорости сдвига изменяются в широком диапазоне: заполнение формы идет при скорости сдвига примерно 5^.10² –5 10³с^-1, а в литниковых каналах и во впусках до 10³ -10⁶с^-1, поскольку они имеют меньшие поперечные размеры, чем формующая полость. Поэтому возникает вопрос, можно ли по величине ПТР оце-нивать вязкость промышленных марок термопластов и их формуемость в условиях литья.

Это можно делать в том случае, если два материала имеют кривые течения подобные друг другу (рисунок 7).

Рисунок 7 – Кривые течения двух полимеров подобны.

 

Если кривые течения не подобны (рисунок 8), то по ПТР нельзя сравнивать вязкости разных материалов и их формуемость.

 

 

Рисунок 8 – Кривые течения двух полимеров не подобны.

Вязкость и формуемость промышленных материалов можно сравнивать по ПТР в следующих случаях:

· материалы (партии) относятся к одной и той же марке полимера, но имеют разный ПТР;

· материалы относятся к разным базовым маркам по вязкости и имеют разный ПТР;

В этих случаях материалы имеют одинаковый характер зависимости вязкости от скорости сдвига, но разную молекулярную массу.

Вязкость и формуемость промышленных материалов нельзя сравнивать по ПТР в следующих случаях:

· материалы относятся к разным классам полимеров по химическому строению. Кроме того, условия определения ПТР для разных полимеров, как правило, отличаются;

· материалы представляют собой разные типы марок.

Так по ПТР нельзя сравнивать вязкость полимера базо-вой марки и специальной марки, полимера имеющего сши-тое или разветвленное строение, разное ММР;

· иногда нельзя сравнивать по ПТР материалы на базе одного и того же полимера, но выпускаемые разными фир-мами, поскольку они могут иметь разное ММР, содержать добавки, отличаться по структуре.

Возможность сравнивать вязкость по ПТР определя--ется по подобию изменения вязкости от скорости сдвига для двух материалов следующим образом. Для каждого из мате-риалов ПТР определяют при нагрузках Р и 10Р.

Если отношение ПТР при Р к ПТР при 10Р близко для анализирумых материалов, то для них вязкость при изменении скорости сдвига изменяется подобно (рисунок 9), и по ПТР можно проводить сравнение вязкости и формуемости этих материалов.

Если отношения ПТР сильно различаются для мате-риалов при нагрузках Р и 10Р. (рисунок 10), то ПТР не может использоваться для сравнения их вязкости и формуемости.

ПТР одного и того же полимера по стандартам разных стран, а также рекомендациям ГОСТ 11645-73 может быть определен при разных условиях. Для сравнения вязкостных свойств полимера по значениям ПТР, определенным при различных условиях, надо рассчитать коэффициент приведе-ния.

 

Рисунок 9 - Зависимость вязкости от скорости сдвига для

 материалов с подобным характером течения расплава.

 

 

Рисунок 10 - Зависимость вязкости от скорости сдвига для

материалов с различным характером течения расплава.

    

Если ПТР₁  материала определен при Р₁ и Т_1, а ПТР₂ при Р ₂ и Т₂, то коэффициент приведения можно рассчитать как:

К _прив = ,        (4)

где: Е_Н – энергия активации вязкого течения в ньютоновской области, кДж/кмоль;

R – газовая постоянная, кДж/(моль ^. К).

Показатель текучести расплава является более чувстви-тельной к изменению молекулярной массы полимера характе-ристикой, чем относительная вязкость раствора того же поли-мера.  

Кроме того, многие полимеры растворимы только при повышенной температуре, что усложняет проведение опытов.

ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ РАСПЛАВОВ

ТЕРМОПЛАСТОВ.

 

Термостабильность расплавов термопластов опреде-ляется реологическим методом. Термостабильность характе-ризуют временем термостабильности, равном времени про-грева материала при постоянной температуре, за которое вязкость расплава изменяется на 15 % (рисунок 11)

Рисунок 11 – Зависимость вязкости расплава термопласта

от времени прогрева.

 

Термоокислительная деструкция термопластов в темпера-турных интервалах переработки данного полимера сопровождается изменением молекулярной массы, что приводит к изменению вязкости.

       В зависимости от соотношения процессов деструкции и структурирования (за счет образования поперечных связей или дополнительной поликонденсации) вязкость расплава снижается или возрастает с увеличением длительности про-грева.

Изменение вязкости расплава при определении време-ни термостабильности может быть оценено

· по изменению массового расхода расплава (г/с) через капилляр – весовой метод,

· по изменению объемного расхода (см³/с) – объемный

метод,

· или по изменению времени истечения постоянного объема расплава (с) через капилляр.

 

Массовый расход определяется взвешиванием экструда-тов, срезаемых через определенные промежутки времени (за 15-30 с).

Объемный расход оценивается с помощью индикатора часового типа по перемещению поршня на заданное расстоя-ние через равные промежутки времени.

При определении времени истечения постоянного объема

расплава за постоянный объем принимается объем расплава, вытекающий через капилляр при опускании поршня от нижней до верхней метки на хвостовике поршня.

Все замеры (масса экструдатов, перемещение поршня в единицу времени, время перемещения поршня на заданное расстояние) проводятся только на участке между метками, нанесенными на хвостовик поршня.

Для некоторых полимеров (сополимеры формальдеги-да, ПВХ, сополимеры ПММА) изменение окраски или появ-ление в экструдате пузырьков летучих продуктов, вызванное термоокислительной деструкцией, наступает раньше, чем изменение вязкости на 15%. В этом случае определяется время прогрева до появления изменения окраски (τ _{т окр}) или выделения летучих продуктов (τ _{т лет}), а за время термоста-бильности расплава принимается минимальное из перечисленных времен.

Размеры капилляра и масса груза при определении термостабильности расплава берутся такими же, как при определении ПТР (см. Приложение 1).Интервал температур переработки выбирается как (Тпл + 20°) ÷ (Тдестр –25 ^о), а для аморфных - (Ттек + 20°) ÷ (Тдестр –25 ^о).

Зависимость времени термостабильности от температуры прогрева характеризуется кривой термостабильности, которая позволяет выбрать температуру расплава при переработке и рассчитать допустимое время пребывания расплава в материальном цилиндре литьевой машины или в цилиндре экструдера при конкретных температурах. Принято считать, что расплав материала термостабилен при данной темпера-туре, если время термостабильностисоставляет не менее 20 мин при переработке экструзией и литьем под давлением под давлением. Более точно можно спрогнозировать поведение материала при переработке, если сопоставить время пребывания порции расплава при заданной температуре с его временем термостабильности при этой же температуре. Должно выполняться условие: τ_т.с.  ≥ τ_преб.   

Время пребывания расплава в материальном цилиндре при литье под давлением равно произведению количества порций расплава (объемов отливки), находящихся в цилиндре, на время цикла. 

Время термостабильности связано с температурой сле-дующей зависимостью:  

                             τ_{т . с .} = В ^. exp(U/ RT),                 (4)

где В – коэффициент, зависящий от типа и марки полимерного материала;

U – энергия активации процессов термоокислительной

       деструкции материала; Дж/моль;

  R – универсальная газовая постоянная, 8,3 Дж/моль^.К;

  Т - температура определения термостабильности, К.

 

Влажность полимерных материалов в условиях пере-работки в расплаве, особенно полярных, существенно влияет на термическую устойчивость расплава, поскольку наряду с термоокислительными процессами при повышенных темпе-ратурах протекают процессы гидролитической деструкции полимеров.

Сопоставляя термостабильность материала с его влаж-

ностью, разрабатывают рекомендации по допустимому со-

держанию влаги в материале при его переработке.

   

 

 

1- влагосодержание 1%, 2 - влагосодержание 0,5%, 

Рисунок 12 – Влияние влажности на время термостабильности расплава полимеров.

 

РАБОТА № 1

По кривым течения

 

Цель работы:

Изучение реологического поведения расплава термо-пласта по кривым течения, полученным при несколькихтем-пературах, и определение энергии активации вязкого течения.

Материалы и оборудование:

 Термопласты в гранулированном или порошкообразном виде.

Капиллярный вискозиметр постоянного давления ИИРТ с набором капилляров. Секундомер. Штангенциркуль.

3. Порядок выполнения работы:

3.1. Изучите устройство капиллярного вискозиметра ИИРТ, зарисуйте его принципиальную схему  (рис.1) с указанием основных узлов.  Изучите инструкцию по технике безопас-ности работы на приборе ИИРТ.

3.2. Оформите в лабораторном журнале таблицу 1 для записи результатов измерений

3.3. 3.3. По Приложению 1 выберите для изучаемого материала условия проведения определения ПТР.

Рисунок 1 – Схема прибора ИИРТ

1 – стойка; 2 - груз; 3 – поршень; 4 –  цилиндр; 5 – нагреватель;

6 –  теплоизоляция; 7 – подставка; 8 – капилляр; 9 – основание;

10 – зеркало; 11 – ручка задвижки; 12 – заглушка

 

Таблица 1 – Результаты измерений

Материал___________________________________

Т,^оС	Нагрузка, на шток, кг	Длина/ Капилляра,мм,	Диаметр капилляра,  мм		Расстояние Между  метками, мм	Диаметр  штока, мм	Вытекающий объем, см^3	Время  истечения, с
…..	…..			…..		…..	…..	…..

Проведение измерений.

Установите на регуляторе температуры прибора требуемое значение температуры. Запишите его в лабораторный Жур-нал.

Закройте задвижку канала ИИРТа.

Поместите в камеру прибора капилляр.

Установите в камеру прибора ртутный термометр. По показа- ниям термометра убедитесь в достижении необходимой тем-пературы и, при необходимости, проведите ее корректировку задатчиком терморегулятора. После нагрева камеры до заданной температуры извлеките термометр, уберите его в картонный чехол.

Подготовьте необходимый для проведения опыта набор гру-зов, вес которых соответствует заданной нагрузке.

Замерьте штангенциркулем расстояние между крайними метками на штоке прибора и диаметр наконечника штока с точностью до 0,05мм, запишите результаты в лабораторный журнал.

Установите проволочную заглушку снизу в отверстие капил-ляра для предотвращения вытекания расплава до началазамеров.

Загрузите в камеру прибора примерно 5 г гранул изучаемого материала, уплотняя их шомполом.

Установите шток в камеру, навесьте на него подготовленные

грузы. Убедитесь, что шток установлен вертикально. Вклю-чите секундомер и в течение 5 или 10 мин (по указанию преподавателя) прогрейте материал в камере. Секундомер выключите.

По окончании времени прогрева уберите проволочную заглушку. Шток под действием грузов начнет двигаться вниз, а через капилляр будет вытекать расплав. В тот момент, когда нижняя метка на штоке опустится до уровня крышки камеры, включите секундомер и зафиксируйте время перемещения штока от нижней до верхней метки (время истечения). 

Данные занесите в таблицу 1 лабораторного журнала.

Выдавите штурвалом прибора или вручную остатки расплава из камеры. Откройте задвижку камеры, выдавите на под-ставку или хлопчатобумажную тряпку капилляр и прочисти-те его медной проволокой.

Вновь установите капилляр в камеру прибора. По ртутному термометру убедитесь в соответствии температуры заданному значению.

Установите проволочную заглушку. Загрузите следующую  порцию гранул. Повторите замеры при других заданных на-грузках (при других температурах, с использованием второго капилляра).

Результаты измерений времени истечения запишите в лабо-

раторный журнал в таблицу 1.

4.Обработка результатов эксперимента.  

Проведите обработку экспериментальных данных. Результаты представьте в виде таблицы 2.

4.1.Рассчитайте давление на расплав для каждого опыта:

Давление = [Па]      (1)

Обозначьте: F - давление на длинном капилляре, Р – давле-ние на коротком капилляре.

Площадь сечения камеры: S_к = [м²];                (2)

Таблица 2 – Результаты обработки экспериментальных 

данных для построения кривых течения:

Материал___________________________________

№ опыта	Т,  ^оС	τ, Па^.с	q, м^3/с	, с^-1	n	,  с^-1	ηэф, Пас
1	Т1	τ1	q1	1	n	1	ηэф1
		τ2	q2	2		2	ηэф2
		τ3	q3	3		3	ηэф3
		τ4	q4	4		4	ηэф4

 

4.2. Рассчитайте объемный расход расплава для каждого замера:  

                                   q = v ^.. S_к [м³/с],                          (3)

где v – линейная скорость перемещения штока, [м/с]; 

S_к - площадь сечения камеры; м²;

v = h / t, где h – расстояние между метками на штоке, м,

t – время перемещения штока от нижней метки до верхней, с.

4.3. Постройте график зависимости «давление – расход» для каждого капилляра при заданных температурах (рис. 1).

Выберите на рисунке 1 при каждой температуре значения расходов (не менее 4-х), одинаковые для обоих использо-ванных капилляров (q₁, q₂, q_3,q₄). Определите значения дав-лений, соответствующих этим расходам на длинном и корот-ком капиллярах (F₁,F₂, F₃, F ₄  и   P₁, P₂, P₃, P ₄).

4.4. Найдите отношение длин капилляров к диаметру (L_k /d_k).

Постройте для температур, использованных в эксперименте, график «давление – (L_k /d_k)» при выбранных значениях q, одинаковом для обоих капилляров и определите по нему величины входовых потерь (Р _вх) при каждой температуре.

Запишите результаты определения в таблицу 2.

4.5. Напряжение сдвига при температурах опыта рассчитайте по методу двух капилляров, используя давления для одина-ковых расходов q:

                              τ _i= [Па],                         (4)

где F_i и P_i  - давления, обеспечивающие одинаковый расход q_i на длинном и коротком капиллярах;

r = 1 мм, радиус капилляров;

i - номер значения расхода, выбранного по графику на рисунке 1.

 

Запишите результаты определения τ  в таблицу 2.

4.6.Рассчитайте среднюю скорость сдвига в капилляре:

                         _i =  [c^-1],                     (5)

где q _i - объемный расход расплава, соответствующий F_i и P_i, м³/с; r - радиус капилляра, м³

 

Запишите результаты определения _i  в таблицу 2.

4.7. Используя результаты расчета τ   и _i  постройте график зависимости «lg τ _i – lg _i» (рисунок 3). Определите по графику индекс течения n. Запишите результаты определения n в таблицу 2.

 

4.8. Рассчитайте скорость сдвига на стенке капилляра с учетом полученного значения   n.

Если n = 1, то

                                     ,                                  (6)

 

а эффективная вязкость: 

                       η_{эф i}   =   τ _i / ,                         (7)

или                             lg η_{эф i} = lg τ _i  - lg .            (8)

Если n ≠ 1, (n < 0,95 или  n > 1,05,), то 

 (3 + 1/n)        (9)

η_{эф i} = τ _i / ()                         (10)

или lg η_{эф i}  = lg τ _i   - lg .                            (11)

Результаты расчета занесите в таблицу 2.

Рисунок 1 – Схема определения давлений, обеспечивающих

равные расходы расплава на капиллярах разной длины.

 

 

Рисунок 2 – Схема определения входовых потерь давления

                       графическим методом.

Рисунок 3 – Зависимость напряжения сдвига от средней скорости          

                сдвига.

4.9. По результатам эксперимента для каждой температуры строятся зависимости «эффективная вязкость – напряжение сдвига» или «эффективная вязкость – скорость сдвига» (по указанию преподавателя).

4.10. Постройте зависимости «логарифм вязкости – 1/Т» при постоянном  значении  и постоянном значении τ _{i .} Рассчитайте энергию активации вязкого течения как:

Е = 2,3 R [d (lg η _эф) / d (l/Т)] кДж/моль        (10).

Сравните полученные значения Е при постоянном значении   и при постоянном значении τ _{i ..} Сравните результаты с литературными данными.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе №1

1. Каковы основные отличия течения расплавов полимеров от течения низкомолекулярных жидкостей?

2. Приведите характерные кривые течения для ньютоновской,  дилатантной и псевдопластичной жидкостей. Какая жидкость называется псевдопластичной, какая дилатантной?

3. Запишите уравнения, описывающие течение ньютоновской и неньтоновской жидкостей. В чем состоит физический смысл входящих в них параметров?