Основные сведения о реологических характеристиках олигомерных связующих

 

 Все материалы под действием силы могут деформироваться необратимо, и в зависимости от своего агрегатного состояния, твердые тела «ползут», а жидкие – «текут». Реология — это учение о текучести материалов. Текучесть жидкости измеряется вязкостью, текучесть твердых веществ — ползучестью (крипом) и вязкоэластичностью.

Сопротивление жидкости любому необратимому изменению положения элементов ее объема называют вязкостью.

Основной закон вискозиметрии, описывающий течение идеальной жидкости, впервые сформулировал Исаак Ньютон:

где t − напряжение сдвига; h − динамическая вязкость; g − скорость сдвига.

Сдвиговые напряжения в твердом теле (при условии выполнения закона Гука) пропорциональны деформации. Сдвиговые напряжения в жидкости (по аналогии с законом Гука) пропорциональны скорости сдвига. Таким образом,  такие величины, как модуль сдвига (G) и вязкость (h) служат одной и той же цели – это коэффициенты сопротивления, учитывающие природу тела, подвергаемого сдвигу. Динамическая вязкость не учитывает прочность структуры жидкости (в данной работе – связующего), но отражает скорость ее разрушения.

Единица динамической вязкости называется «паскаль∙секунда» (Па∙с). Также часто используется единица «миллипаскаль∙секунда» (мПа∙с). 1 Па∙с=1000 мПа∙с. В качестве единицы вязкости применяют «сантипуаз» (сПз), равный мПа∙с = 1 сПз

Модель течения жидкости (рис. 1.3) позволяет дать определение понятиям напряжения и скорости сдвига. Представленная на рис. 1.3. модель – условна, поскольку толщина пластин между которыми помещена жидкость (верхняя и нижняя пластина) всегда много больше, чем толщина слоя жидкости. Данная условная схема использована только для удобства, что бы продемонстрировать послойное движение жидкости.

 

Рис. 1.3. Течение жидкости между двумя плоскопараллельными пластинами

 

Слой жидкости толщиной d помещен между двумя плоскопараллельными пластинами, из которых одна (верхняя) с площадью S является подвижной, а вторая (нижняя) – неподвижной. К подвижной пластине приложена сила F, под действием которой пластина движется со скоростью V. Напряжение сдвига вызывает послойное разделение жидкости, независимо от ее свойств и химической природы.  Благодаря трению движение передается всему слою жидкости, однако каждый из слоев начинает двигаться с убывающей скоростью. Напряжение сдвига определяется как

Напряжением сдвига t называют отношение приложенной силы (в данном случае, это сила трения) к единице площади.

Максимальная скорость течения наблюдается у границы раздела жидкости с движущейся плоскостью. По мере удаления от подвижной плоскости скорость течения снижается, и на расстоянии y от нее, на границе с неподвижной плоскостью, скорость равна нулю: V _{м in} = 0. Градиент скорости течения жидкости между двумя пластинами называют скоростью сдвига

Скорость сдвига g – это градиент скорости в направлении перпендикулярном приложенной силе.

Значение капиллярной вязкости n определяется для жидкостей, которые текут через капилляр под воздействием силы тяжести.

В качестве единицы кинематической вязкости используется единица «стокс» или «санти стокс» (сСт), 1 Ст = 100сСт; 1 мм²/с = 1 сСт.

Соотношение, между напряжением сдвига и скоростью сдвига характеризует поведение жидкости при течении и графически изображается в виде кривой (рис. 1.4), на которой по оси ординат откладывают значения напряжения сдвига τ, а по оси абцисс - значения скорости сдвига g. Такой график называют кривой течения.

 

 

 

 

Рис. 1.4. Графическое представление реологических свойств ряда жидкостей

Зависимость между вязкостью и скоростью сдвига называют кривой вязкости.

В зависимости от характера зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига все жидкости подразделяют на четыре группы.

1) Ньютоновские – это жидкости, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига (вода, минеральные масла). Жидкости, которые не обладают свойствами «идеального» течения называют «неньютоновскими». Основным признаком ньютоновских (т.е. идеальных жидкостей) является отсутствие в них (при приложении внешней нагрузки) касательных сил. Это приводит к тому, что около твердых поверхностей такие жидкости скользят (а не прилипают к ним, как это делают все остальные, т.е. неньютоновские жидкости. Свойствами ньютоновских жидкостей обладает вода. На практике, в качестве внешней нагрузки используется давление, под действием которого жидкость перемещают, например, по трубопроводам.

2) Псевдопластичные жидкости (олигомеры, растворы полимеров) – для них характерно, что при определенных значениях напряжения и скорости сдвига вязкости этих жидкостей при возрастании скорости сдвига снижается. Основным признаком псевдопластичных жидкостей является снижение вязкости при повышении скорости сдвига. Этот эффект является обратимым, т.е. при дальнейшем снижении скорости сдвига высокие значения вязкости восстанавливаются. К псевдопластичным жидкостям относятся некоторые типы олигомерных и полимерных связующих, используемые при производстве деталей из стекло-, угле- и органопластиков. К этому же классу жидкостей относиться кровь (вязкость крови зависит от скорости ее движения по сосудам и чем ниже скорость, тем выше вязкость и выше вероятность образования тромбов и многих др. заболеваний). Аналогичными свойствами обладает нефть и очень многие другие жидкие системы.

3) Пластичные жидкости – вязкость этих жидкостей при возрастании скорости сдвига, наоборот, увеличивается. К таким жидкостям относятся некоторые типы каучуков.

4) Дилатантные жидкости.Отличительной особенностью таких жидкостей является наличие некоторого предела текучести (на рис. 1.4 это отрезок на оси напряжений сдвига). Для таких материалов характерно, что до некоторых значений скоростей сдвига не происходит их перемещения. Чем выше значения предела текучести, тем больше прочность граничных слоев. Эти материалы обладают свойством прилипать к твердым поверхностям, образуя граничные слои. Для удаления граничных слоев требуется повышать давление, т.е. чем больше толщина граничных слоев, тем выше энергозатраты (для рассматриваемых материалов – это затраты на проведение процесса пропитывания связующими тканных наполнителей).

Основными технологическими операциями в процессе изготовления и формования изделий из полимерных композиционных материалов являются операции перемешивания (при изготовлении связующих и введении в их состав различных модифицирующих добавок) и пропитывания (в процессе формования методами вакуумной инфузии). Наиболее низкие энергозатраты на процессы перемешивания и пропитывания буду достигнуты только при использовании ньютоновских или псевдопластичных жидкостей. Наибольшие энергозатраты характерны при использовании пластичных и дилатантных жидкостей.