Реологией называют науку о течении жидкостей. Для любых жид­костей поведение при течении описывает закон Ньютона, являю­щийся основным законом течения.

F dU

Т

Где т — сдвиговое напряжение, вызывающее течение слоев жидкого полимера (или любого вещества) относительно оси деформирования; 5— поперечное сечение текущей жидкости; /—действующая сила,

DU

Г| — коэффициент вязкости; —— —градиент скорости течения жид-

Dz

Кости в направлении, перпендикулярном оси деформирования

Распределение скоростей течения жидкости при ее перемеще­нии вдоль трубы показано на рис. 2.8. Так как скорость жидкости различна по участкам сечения, перпендикулярного к оси трубы и направлению перемещения жидкости, a F/S есть напряжение сдви­га т, вызывающее течение, то закон течения (закон Ньютона) запи­сывают в виде

Т = (2.32)

Где у — градиент скорости течения, т] — коэффициент вязкости, измеряемый в Па с. Для расплавов полимеров г) имеет значения 103-10* Па-с.

Зависимость т —у называют реологической кривой. Реологичес­кая кривая графически представляет взаимную зависимость пара­метров основного закона течения — закона Ньютона.

Реологическую кривую представляют в виде зависимости Igrj = /"(т) или lgri = f(у) (рис. 2.9, 2 10). Реологическая кривая состоит из трех участков: первый и третий имеют постоянный коэффициент на­клона, т. е. на этих участках r = const; на втором участке вязкость г) ф const, она уменьшается при увеличении напряжения, под кото­рым течет полимер.

Первый участок кривой, который отвечает наибольшей, и при этом постоянной, вязкости, называют участком наибольшей ньютоновской вязкости; она соответствует течению расплава полимера с неразру­шимой структурой при наложении малых напряжений Третий уча­сток отвечает наименьшей ньютоновской вязкости и соответствует

Т

Скоросъсдвжа— напряжение в логарифмических координатах

Вязкость — напряжение сдвига

Течению жидкости, структура кот< >рои создана приложенным напря­жением Слои жидкости ориентированы по потоку и величина т] ми­нимальна.

При высоких напряжениях течение сопровождается сильным растяжением макромолекул Вытянутые цепи оказывают меньшее сопротивление перемещению, чем свернутые. При малых напряже­ниях этот эффект незначителен, и в предельном случае при т -> О структура полимера в процессе течения остается практически неиз­менной.

В области перехода от течения недеформированных макромоле­кул к течению предельно вытянутых макромолекул закон Ньютона перестает соблюдаться, и отношение к скорости сдвига дает значе­ние не истинной, а эффективной вязкое ги Oi ношение эффективной вязкости к предельному значению вязкости rj0, соответствующему области ньютоновского течения, называют приведенной вязкостью [39] Нсли экспериментальные зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига, полученные при разных температурах, предста­вить в координатах Lc^ Q(T)/Ti0]-1д(егат) [где ат ;

Р — плотность расплава, Т— абсолютная температу]>а, индекс «п» означает, что соответ ствующая величина определена при темпера­туре при ведения], то получается универсальная кривая, на которую хорошо укладываются экспериментальные точки, полученные при испытаниях линейных, разветвленных полимеров, наполненных си­стем, а также смесей полимеров

Средним участок кривой отвечает области эффективной вязкос­ти, которая зависит о г напряжения и следует степенному закону

Т = туЛ, (233)

1де п — коэффициент, изменяющийся в пределах 0 < л < 1.

При л = 1 уравнение (2 33) переходит в уравнение, закона Ньюто­на. Коэффициент л легко определить, имея ряд значений х, ц, у, так как

1дт = 1дт1 + п1ду. (2.34)

Зависимость величин по уравнению (2 34) — прямая линия, из наклона которой определяют п

Вязкость любых жидкостей существен но зависит от температ)’- ры, так как с ее ростом увеличивается свободный объем жидкости, облегчаются перескоки молекул, а в случае полимеров — перескок звеньев в пустоты или «дырки», имеющиеся в структуре жидкого полимера. Температурная зависимость вязко< ти определяется урав­нением Френкеля — Эйринга

R = Ае RT, (2.35)

Где AU — энергия активации вязкого течения

Все жидкости, в том числе и расплавы полимеров, при нагрева­нии уменьшают вязкость Это использук )т в технологии переработки полимеров, так как, варьируятемперагуру, можно измени гь и облег­чить условия формования поли мера в изделие

Переработку полимере >Е ведут в режиме эффективной вязкости. На рис. 2 11 показано, как меняется с ростом температуры вид участ­ка реоло гической кривой, описывающей эффекта вную вязкость

Из рис 2 11 видно, что повышение температуры приводит к уве­личению скорости сдвига при одном и том же напряжении Это оз­начает, что вязкость расплава при наиболее высокой температуре минимальная Обычно рост температуры на 100 "С приводит к уве­личению на порядок величины текучести ра< :плава поли мера, харак — тери зуемой скоростью сдвига (или понижением вязкости при задан­ном напряжении). 11оскольку характер температурной зависимости вязкости известен (см, уравнение (2 ЗЛ). то, получив эксперименталь ные значения вязкости при разных температурах, можно опреде­лить энергию активации вязкого течения

Однако в отличие от энергии активации ньютоновского течения, характеризуемого одним значением для наибольшей (и соответствен-

Но для минимальной) ньютоновской вязкости, в случае эффективной вязкости получается два значения энергии активации. Одно из них определяют по значениям вязкости, относящимся к постоянному на­пряжению т, а второе — по значениям эффективной вязкости, полу­ченным при одинаковой скорости сдвига у. Для наглядности получе­ние таких значений показано на рис.- 2 11 штриховыми линиями. Учи­тывая, что кривые вязкого течения, описывающие поведение теку­щего расплава, не параллельны друт друг у, а сходятся при повыше­нии скорости сдвигаг как это показано на рис. 2 11, становится яс­ным. чт о энерги и активации вя зкого течения, определенные при по­стоянном значении напряжения и постоянном значении скорости

Сдвига, не равны друг другу- Д Ux * AUy.

Вязкотекучее состояние аморфных полимеров наблюдается при Т > Т. Для кристалли ческ их полимеров переход в текучее состояние наблюдается при Т > Тпл. В текучем состоянии полимеры представ­ляют собой жидкости с большой вязкостью, имеющие упорядочен­ную структуру на уровне лишь ближнего порядка. Поэтому разли­чия кристаллических и аморфных полимеров в таком состоянии сти­раются: они зависят не от исходного фазового состояния (до 7 J, а от химической природы цепи полимера и его молекулярной массы. В этой связи особенности вязкотекучего состояния полимеров будут рассмотрены на примере любых линеипых полимеров, которые при температуре выше Тт или Г становятся жидкими телами

В вязкотекучем состоянии ос Yu Tec гвляется поступательное дви­жение цепей полимера Поэтому, чем больше молекулярная масса аморфного полимера, тем выше на оси температур лежит значение Т Эти хорошо иллюстрируют данные по температурам текучести полиизобутилена, приведенные втабл 2.3

Величина Т (для кристаллических полимеров ото их Г ) зависит от сил межмолекулярного взаим< )дей< :тьия 11аличие групп, с клен — ных к образованию водородн ых связей, приводит к рогту темпера­тур перехода в вязкотекучее состояние. Поэтому полиамиды, такие как капрон, найлон имеют Г л — Г., значения которых гораздо боль­ше 200 °С. несмотря на то что молекулярная масса полимера состав­ляет всего 10 —20 тыс Аналогичную величину, но уже при молеку­лярной массе -3 3 106, имеет приведенный в табл. 2.3 неполярный полиизобутилен.

2.3.1. Явления, сопровождающие течение рас плавов полимеров

Для процесса вязкого течения полимеров Nj >именим принцип тем- гюратурно-временной суперпозиции. В этом случае эксперименталь­ные кривые, получ енные при различных температурах, совмещаются при параллельном переносе вдоль оси скорости сдвига (10, 39].

В вязкотекучем состоянии подвижность макромолекул наиболь­шая. наряду с поступательным перемещением молекул по потоку текущего расплава наблюдается так же сегментальное движение, т. е проявляется высокоэластическая деформация, которая влияет на процесс течен ия Легче вс его можно наблюдат ь наложение высо — кои эластичности материала на течение, если проследить за вы гека — нием концен грированного водного ра< твора желатины (являющей­ся смесью макромолекул различных природных белков) из стеклян — нойтрубки (рис 2 12). На выходе из трубки сечение текущой струи становится большим, чем сама трубка. Это явление назы вают «раз­буханием Струи •>

Причиной разбухания струи является развитие в образце поли мера высокоэластических деформаций В Oj раниченном простран-
А

Рис. 2 12. Наложение выажоэласчиче. ской деформации на деформацию течения при разбухании пруи (а) и эффекте Ваисепберга подъема расплава на врагдаю«цийся элемент прибора (о)

Стве трубки и под влиянием приложенных к расплаву напряжений молекулы текугцег о полимера ориентированы, они текут, поступа­тельно перемещаясь вдоль трубки. При выходе из нее ограничиваю­щее действие стенок трубки снимается, молекулы начинают прояв­лять свои эластические свойства. Высокоэластическая деформация направлрна перпендикулярно текущему потоку, что и вызывает уве­личение сечения струи R — этом направлении.

Еще более сложные процессы наблюдаются в расплавах (или кон центрированных растворах) полимеров если к ним прикладывают­ся де(] »орм ирующие усилия, действую)цие с определенной круговой ча< тотой. Так, при перемешивании быстро вращающейся мешалкой вязкой полимернои жидкости можно наблюдать, что она начинает подниматься вверх по мешалке. Если вместо сплошной металличес­кой меша лки при этом использовать полую трубку, то полимер будет затягиваться внутрь этой I рубки при ее вра щении. Если помест ить в расплав два диска находя] цихся на определенном расстоянии друг от друга, и начать вращать верхний диск, то возникающие эласти­ческие деформации будут «расталкивать» диски, поднимая вверх подвижный диск Все эти явления носят название «эффекта Вайсен — берга», они связаны с проявлением эластичности в вязкотекучем полимере, причем направление эластической деформации перпен­дикулярно деформации течения.

Наложение эластической деформации может изменять форму струи поли мера, выходящего из головки машины, формующей поли-

Мерные изделия, поэтому в технологии переработки полимеров не­обходимо уч] ггывать вк лад вы< юкоэластическои деформации, кото­рая приводи! к изменению размеров формуемого изделия. Эласти­ческое восстанов ление сложит также причиной усадочных явлении, наблюдаемых при формовании пленок, волокон, труб из полимеров, оно должно быть учтено при расчете конструкции из полимеров.

Производство тары из полимерных пленок и листов

Особенности механических свойсть полимеров в высокоэластическом состоянии

Интервал температур, в котором можно наблюдать высокоэлас­тические свойства полимеров, равен разности температур (Т — Т) Для сетчатых полимеров верхним пределом эластических свойств является температура начала термического разложения Т, так как из-за межцепных химических связей полимер течь не может и при высоких температурах начинает разлагаться, деструктироваться, не переходя в текучее состояние Эластические свойства целесообразно рассмотреть на […]

Производство мягкой потребительской тары на фасовочно-упаковочных автоматах термоформовочного типа

Термоформовочные автоматы позволяют упаковывать любые виды продукции с использованием всех возможных методов ее по­дачи в отформованную часть тары. 11ижняятермоформованная часть из однослойного или многослойного полимерного материала являет­ся жесткой или полужесткой. Верхняя крышка отличается гибкос­тью, минимальной жесткостью. Она выполнена, как правило, из мно­гослойного материала, поэтому обладает хорошими барьерными свойствами, способностью к сварке ил и склеиванию, пригодна […]

Контакт но-тепловая сварка

Контактно-тепловую сварку нагретым ин< трументом осуществ­ляют с односторонним или л, вусторонним нагревом (рис. 4.41). Рис. 4.41. Схема контактно-тепловой сварки с од] юсторонним (а) и двусторонним (6) нагревом: 1 — нагретый инструмент; 2 — прокладки; 3 — свариваемые материалы; 4—холодный инструмент, мгн — температура нагретого инструмента; t2 — температура внешней поверхности изделия; Т —температура свариваемых поверхностей; […]