Теоретические основы работы

Реологические свойства расплава – комплекс характеристик, определяющих его поведение при деформировании.

Реологические свойства полимеров, полученные при различных температурах и напряжениях сдвига, позволяют правильно выбрать метод переработки и рассчитать стадии процессов переработки полимера.

Формовка пластмасс осуществляется через экструзию и литье под давлением, по средствам вязкого течения и простым видом деформирования – простым сдвигом.

Перемещение макромолекул реализуется через преодоление межмолекулярных связей и изменение конформации самой макромолекулы. При таком виде перемещения внутри расплава возникает сила внутреннего трения, величина которой характеризуется коэффициентом вязкости или простой вязкостью η (Па с) расплава.

В результате приложения к расплаву некоторой силы начинается его деформация, мерой сопротивления деформации при простом сдвиге являются касательные напряжения сдвига или сдвиговые напряжения τ, а скоростью деформации – скорость сдвига γ (с^-1).

Эти характеристики связаны между собой уравнением Оствальда-Де Вилла.

,

называемое также степенным уравнением течения. Его графическое представление и есть кривая течения. Переменная n- индекс течения.

В случае если расплав проявляет свойства Ньютоновской жидкости то его напряжения сдвига не зависит от скорости сдвига и индекс равен 1. Это относится к полимерам с узким ММР.

В логарифмических координатах данная кривая спрямляется в линию с определенным углом наклона (45^о)

.

Однако расплавы ВМЖ обладают определенной эластичностью и с ростом напряжения сдвига наступает эффект срыва струи, т.е. момент когда расплав термопласта становится сильно упругим и кусками выпадает из капилляра. Это происходит при критическом напряжении сдвига τ_кр.

Но расплавы практически всех промышленных полимеров относятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит от напряжения сдвига, а индекс течения отличен от 1. И в зависимости от природы жидкости различаемы как дилатантные и псевдопластичные. Для первых n<1 для вторых n>1.

Кривая течения таким образом также изменяется.

Свою роль, при известных значениях τ и γ, приобретает показатель эффективной вязкости η_эф. Характеризующий вязкость в отдельно взятый момент времени или точку на кривой течения.

Классические кривые течения полимерных материалов имеют три участка:

I – участок с наибольшей Ньютоновской вязкостью. Расплав ведет себя как ньютоновская жидкость, и вязкость является константой. Кривая течения на этом участке является прямой линией т.к. скорость сдвига изменяется прямо пропорционально величине сдвига.
Это объясняется тем, что деформация сдвига невелика и интенсивности теплового движения хватает для того чтобы успевала пройти релаксация упругих напряжений. Другими словами величины сдвига не хватает для компенсации упругих напряжений, и течение протекает без изменения надмолекулярной структуры.

II – средний участок или структурная ветвь. Этому участку соответствует аномалия вязкости, когда происходит накопление упругих напряжений и сегментарное течение прекращается, развернувшиеся клубки макромолекул ведут себя как упругое тело стремясь опять свернуться. При достижении критической величины сдвига. И чем выше молекулярная масса, тем меньше эта величина.

III – участок наименьшей ньютоновской вязкости. Достигнув минимального значения вязкость далее не меняется, однако для промышленных ВМЖ еще раньше наступает эффект срыва струи а течение носит пробковый характер.

Влияние температуры на вязкость полимерного расплава описывается уравнением Аррениуса.

,

А- константа присущая материалу.

R –универсальная газовая постоянная

E –энергия активации вязкого течения

2.Эксперементальная часть.

Цель: Изучение реологического поведения полиэтилена высокой плотности по кривым течения, полученном при разных значениях величины сдвига, построение кривой течения и определение энергии активации вязкого течения.

Материалы и оборудование: полиэтилен низкой плотности в гранулированном виде; капиллярный вискозиметр постоянного давления ИИРТ; секундомер.

Лабораторные данные:

*Прим. Измерения проводились при t=190^oC

3.Обработка экспериментальных данных:

3.1. Расчет давления на расплав.

Давление, Па	Нагрузка,Н
27,0	21,2
62,4	49,0
82,9	65,1
127,3	99,9

3.2. Расчет объёмного расхода:

q =υ∙ S_k,

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

υ = h/th - расстояние между метками на штоке, 25,15мм = 0,02515м

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

υ, м/с	q*10 -8 , м3/с	P, Н
0,6	0,46	21,2
1,9	1,49	49,0
2,8	2,20	65,1
7,8	6,12	99,9

3.3. График зависимости «давление-расход»

3.4. Напряжение сдвига.

где F – давление на капилляр [H]
L – длина капилляра 8мм = 0,008м

r – радиус каппиляра 1мм = 0,001м

τ*104 ,Па	Давление, Па	P, Н
1,69	27,0	21,2
3,90	62,4	49,0
5,18	82,9	65,1
7,96	127,3	99,9

3.5. Расчет средней скорости сдвига.

где r = 0,001 м – радиус капилляра

3.6. Расчет эффективной вязкости.

Если n=1, то скорость сдвига на стенке капилляра рассчитывается по формуле:

а эффективная вязкость – по формуле:

3.7.Построение графика «эффективная вязкость – напряжение сдвига»

3.8. Расчет энергии активации вязкого течения

Из этой формулы выделяем E_a и получаем:

Где R – универсальная газовая постоянная = 8,314

n – индекс течения = 1

A – константа зависящая от материала = 4

η_эф – эффективная вязкость

Т – температура опыта =190 ^oC = 463К

E_cp = 23,58 кДж/моль

По справочным данным для ПЭ НП энергия активации вязкого течения = 25—29 кДж/моль

Поиск по сайту: