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.