Методички / 956
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГOD1fЛIOНF.IПIOO ~\~ УЧП)ЩIEI-IИЕ ILDIJEП)
пfolJEIllюн,\.1ы-кхо (П,\:OWПlЯ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕНJLАЯ АКАДЕМИЯ ТОН
КОЙХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ им. М.В. ЛОМОНОСО
ВА
Кафеара химии и технолоп1И переработки
n.;шстмасс и полимерных композитов
О.Б. Ушакова
ЛАБОРАТОРНЫЙ I1РАКТИК)'М
по курсу «Основы переработки пластмасс»
Часть 1
(учебво-метоДIt<lеское пособие)
Москва - 2005
http://www.mitht.ru/e-library
ББI< 74.58,
УДК 678(076)
Ушакова O.B~ дабораторвый npaпикум по курсу «Основы переработп ~c». Часть 1. М.: МИТХТ, 2005. - С.76
Рецензент: liроф. Буканов А.М.
ЛaбoparoрныlDJЩПИКYМ по курсу «Основы переработп IDЩ~
масс (часть 1)>> пpeдR8ЗИачен ДJUI студентов 4 курса 6uaлaвpиата
направ.пеиии 550800 «ХимичесК8JI технология и биотеХВОЛОПUJ» и
студентов 5 курса специализации 250601 «ТехиолоГИJI изделий из
пластмасс и компОЗИцИОННЫХ материалов» jj~чsрне!'9 отделеllИJ[
ВИIЦ изучающих дисциплину «Основы перерабопи пластмасс».
http://www.mitht.ru/e-library
|
|
Оглавление |
|
|
Введение .... |
,...... , .................. '" ................. |
,............. '" .... .4 |
||
1. |
Реологические свойства расплавов термопластов |
..................4 |
||
2. |
Показатель текучести расплава термопластов..... |
|
,............... 12 |
3. |
Термостабильность расплавов термопластов.. ,................... 17 |
4. |
Формуемостъ расплава термопласта при литье |
под давлением........................................ |
'" ..................... |
|
21 |
5. Удельный объем термопластов....................................... |
|
|
.28 |
6. Работа .М:! 1 МетОДИI<а оценки реологических |
|
34 |
|
свойств термопластов............................................... |
|
|
|
7. Работа N22 Определение показателя текучести |
|
|
|
расплава термопластов......................... |
'" ......... |
'" |
'" ...42 |
8. Работа Х!!3 .Определение термостабильности |
|
|
|
расплава полимера................................... |
'" ...... |
'" ...... |
'" ..47 |
9. Работа Х!!4 Определение формуемости термопластов |
|
||
по спирали.................................................................. |
|
|
.54 |
1О Работа Х2 5 Определение удельного объема |
|
|
|
и констант уравнения состояния расплава полимеров |
|
|
|
дилатометрическим методом............................................. |
|
|
58 |
Приложение 1 - Условия определения ПТР некоторых |
70 |
||
термопластов................................................................ |
|
|
|
Приложение 2 - Выбор условий определения |
|
|
|
реологических характеристик полимеров на капиллярном |
|
||
вискозиметре ИИРТ ....................................................... |
|
|
72 |
Приложение 3 - Значения постоянных в уравнении состояния |
|||
расплавов полимеров....................................................... |
|
|
73 |
Приложение 4 - Условия определения изменения удельного |
|
||
объема TepMOImacToB....................................................... |
|
|
74 |
Приложение 5 - Рекомендуемые параметры переработки |
|
||
теРМОlщастов литьем под давлением... |
, ........ '" ..................... |
|
75 |
http://www.mitht.ru/e-library
Введение
Технологические свойства термопластов, как и других материа
лов, определяют технологюо их переработки в изделия, выбор па
раметров процесса переработки и качество готовых изделий.
К основным технологическим свойствам термопластов, опреде
ляющим пригодность марки материала к переработке определен
ным методом и технологические параметры переработки относятся
реологические свойства, термостабильность, удельный объем рас
плава полимера.
1.РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ
ТЕРМОПЛАСТОВ.
Реологические свойства расплава - это комплекс характери
стик, определяющих поведение расплава при деформировании,
зависимость между напряжениями, деформациями, температурой.
Реологические характеристики полимеров, полученные при
различных температурах и напряжениях сдвига, позволяют пра
вильио выбрать метод переработки и рассчитать стадии процес-
сов переработки полимерного материала в изделие.
Основными методами формования термопластов являются
литье под давлением, экструзия. Все они реализуются через про
цесс вязкого течения материала, которое является одним из ви-
дов деформирования - простым сдвигом. для перемещения
4
http://www.mitht.ru/e-library
макромолекул при течении надо преодолеть СИЛЫ межмолекуляр
ного взаимодействия и изменить конформацию макромолекул.
При этом в полимере возникает сила внутреннего трения. величи на которой характеризуется коэффициентом вязкости или просто вязкостью 11 (Пас) 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 т (Па). а характеристикой скорости дефор-
мации - скорость деформации сдвига (или скорость сдвига) У•(с·)I .
Эти характеристики поведения расплава полимера при течении
связаны уравнением Оствальда - де Вилла:
• |
n |
, |
|
r= 11 r |
|
(1 ) |
называемым степенным уравнением течения, его графическая ин терпретация - кривой течения расплава полимера. Если расплав полимера обладает свойствами ньютоновской жидкости, то его вяз-
кость не зависит от напряжения сдвига и скорости сдвига, при этом
n - индекс течения - равен 1. Вязкость такого полимера является его
фи-зической константой как и у низкомолекулярных жидкостей. Та
кими свойствами мотут обладать образцы полимеров С очень узким
молекулярно-массо-вым распределением (ММР = 1,02 +1,05).
Кривая течения такИХ расплавов и растворов в логарифмических
координатах представляет собой прямую линию с углом наклона
450 (рисунок 1).
http://www.mitht.ru/e-library
....
.; .
Рисунок 1 - Кривые течения НЪТОНОВСI<ИХ жидкостей:
низкомолекулярной (НМЖ) и высокомолекулярной (вмж).
Однако, расплавы ВМЖ обладают эластичностью и с ростом
напряжения сдвига наступает такой момент (критическое напряже·
ине сдвиг~ т.В на рисунке 1), когда рост эластической деформации
делает расплав настолько упругим, что он как резиновая пробка
кусками выталкивается из капилляра вискозиметра. Для 6олъшин·
ства расплавов критическое напряжение сдвига составляет (5 +6)
_105Па. Таким образом, кривая течения ВМЖ не может быть про·
должена при напряжениях выше 'Ткр, соответствующего моменту
"срьша струи"•
Течение НМЖ в ламинарном режиме прекращается при до
стижении критической скорости сдвига, после чего критерий
Рейнольдса соответствует турбулентному характеру течения
(Re ~ 2300), наступает срът струи.
6
http://www.mitht.ru/e-library
Однако, расплавы почти всех промышленных полимеров отно-
сятся к неньютоновским жидкостям, для которых вязкость зависит
как от напряжения сдвига, так и скорости сдвига, а индекс течения
отлича-ется от 1(n #1). В зависимости от величины n различают
дила-тантные (n <1) и псевдопластичные (n> 1) жидкости (рису нок 2). Большинство расплавов полимеров при течении прояв
ляют псевдопластичные свойства.
r•
'\ n<1
т
Рисунок 2 - Виды кривых течения полимеров
При известных значениях 'fи rдля расплава полимера рассчи-
тывается эффективная вязкость расплава (f/эф). характеризующая
одну точку на кривой течения и не являющаяся константой мате
риала. Классические (полные) кривые течения полимерных систем
(рисунок 3) имеют три участка:
1 - участок наибольшей нъютоновской вязкости. На этом участке деформации сдвига очень невелики и интенсивности теплового движения макромолекул достаточно для того, чтобы успевала прой-
7
http://www.mitht.ru/e-library
ти деформации сдвига очень невелики и интенсивности теплового
движения макромолекул достаточно для того, чтобы успевала
пройти релаксация упругих напряжений, и течение происходит
при практически неизменной надмолекулярной структуре полимера.
Расплав ведет себя как ньютоновекая жидкость (Т) = const);
+'l""
Рисунок 3 - Зависимость скорости сдвига от напряжения сдвига для полимерных систем (полная кривая течения)
11 - средний участок - носит название «структурной ветви». Он
описывает течение расплава полимера в условиях, когда проявляет
ся аномалия вязкости: в полимере, из-за накопления упругих напря
жений, которые не успевают релаксировать, перемещение сегмен-
тов прекращается при достижении своего 'Ткр для каждой фракции,
и чем выше молекулярная масса, тем ниже напряжения сдвига, при
которых это происходит. Часть полимера, для М8Кромолекул состав-
ляющих которую достигается 'Ткр, перестает участвовать в процес-
8
http://www.mitht.ru/e-library
се течения, Т.е. течение реализуется для фракций с меньшей моле
кулярной массой, а ,следовательно, и меньшей вязкостью.
Постепенно из процесса течения выбывают макомолекулы всё
с меньшей ММ, а эффективная (кажущаяся) вязкость расплава
снижается.
111 - участок наименьшей ньютоновс:кой вязкости. При высо
КИХ напряжениях сдвига и СКОРОСТЯХ сдвига вязкость растворов,
достигнув наименьшего значения 1"\ min (наименьmей нъютоновс
кой вязкости) практически не меияется. НО ДЛЯ расплавов термо
пластов такое явление ни:когда не наблюдается, так :как при гораз
до меньших 't наступает момент «срыва струи», когда полимер
переходит в пробковый режим течения.
Влиянне температуры на ВЯЗКОСТЬ полимерного расплава (рису
нок 4) описывается уравнением:
Е |
|
11 = AeRT, |
(2) |
где А - константа материала;
R = 8,3 Дж/моль - универсальная газовая постоянная ;
Е - энергия активации ВЯЗКОГО течения (определяется при
't= const или i = const);
т -температура. К.
для оценки реологических свойств расплавов термопластов ис-
пользуют капиллярные или ротационные вискозиметры.
Полимерные расплавы обладают вязкоупругими свойствами, что
приводит К потерям энергии при перестройке профиля скоростей
9
http://www.mitht.ru/e-library
------------~~~./.---
r-{l.Il1u.i'}
1 -нъютоновская жидкость; 2 - псевдопластичная жидкость
Рисунок 4 Влияние напряжения сдвига (скорости сдвига)
на вязкость полимерных систем.
1 |
|
~ |
~ |
||
т |
'Ir |
Рисунох 5 - Зависимость ВЯЗКОСТИ расплава полимера
от температуры.
при переходе расплава в капилляр из цилиндра вискозиметра и
при выходе струи расплава из хапилляра, а тахже к потере энергии
при образовании вихревых потоков в «мертвых» зонах при перехо-
10
http://www.mitht.ru/e-library