что такое реология полимеров

Расширенное руководство по полимерам. Реологические свойства и упругость пластиков

Реологические свойства материалов зависят от времени, в дополнение к упругости и деформации (или восстановлению) в ответ на нагрузку. Это свойство, которое в какой-то степени присуще всем пластикам, подчеркивает, что, хотя пластики обладают «твердоподобными» характеристиками, такими как упругость, прочность и стабильность формы, они также имеют «жидкоподобные» характеристики, такие как текучесть и время ожидания, время, температура, скорость и объем нагрузки. Таким образом, любой инженерный пластик считается вязкоупругим.

В механическом поведении этих вязкоупругих пластиков преобладают такие явления, как прочность на растяжение, относительное удлинение при разрыве, жесткость и энергия разрыва, которые часто являются определяющими факторами в конструкции. Вязкие свойства пластического течения расплава также являются важными факторами при изготовлении пластмассовых изделий. При обсуждении течения расплава речь идет о реологии или потоке вещества. Это связано с реакцией пластиковых расплавов на механическую силу. Понимание реологии и способности измерять реологические свойства, такие как молекулярный вес и поток расплава, необходимо прежде, чем поведение потока можно было бы контролировать во время обработки.

Такой контроль имеет важное значение для изготовления пластиковых материалов для удовлетворения требований к производительности продукта. С пластмассами есть два типа деформации или потока: вязкий, в котором энергия, вызывающая деформацию, рассеивается, и упругий, в котором эта энергия сохраняется. Комбинация производит вязкоупругие пластики. Существуют не только два класса деформации, но также и два режима, в которых может возникнуть деформация: простой сдвиг и простое растяжение. Фактическая реакция во время плавления (как, например, с обычным пластификатором) является чрезвычайно сложным действием со всеми типами комбинаций напряжения сдвига.

Деформация определяет эффективность добавления пластификатора и контролирует соотношение между скоростью на выходе и перепадом давления в системе или в форме. Поведение расплава пластика по сравнению с водой различается весьма сильно. Объем так называемой ньютоновской жидкости, такой как вода, при проталкивании через отверстие прямо пропорционален давлению, приложенному по прямой линии (поток против давления). Скорость потока неньютоновской жидкости, такой как пластик, при проталкивании через отверстие увеличивается быстрее, чем приложенное давление, что приводит к изогнутой линии. Различные пластики имеют свои собственные скорости потока, так что их неньютоновские кривые различны. Это свойство вязкоупругости в некоторой степени присуще всем пластикам и диктует, что, хотя пластики обладают твердоподобными характеристиками, они также имеют жидкоподобные характеристики. Такое поведение полимеров важно понимать. Это, в основном, механическое поведение, при котором отношения между напряжением и деформацией зависят от времени для пластика, в отличие от классического упругого поведения стали, при котором деформация и восстановление происходят мгновенно при приложении и снятии напряжения.

Различные характеристики полимеров влияют на обработку и свойства пластиковых изделий. Мы уже рассматривали эти различные характеристики, которые встречаются у термопластов, здесь же отметим наиболее важными. Самыми важными являются температура стеклования и температура плавления. Температура стеклования относится к температурным характеристикам пластмасс, которые влияют на технологичность пластика. Это обратимое изменение фазы пластика из вязкого или эластичного состояния в хрупкое стеклообразное состояние. Ниже температуры стеклования термопласт ведет себя как стекло и является очень прочным и жестким. Выше этой температуры он не такой прочный или жесткий, как стекло, и при этом он не такой хрупкий, как стекло. При температуре стеклования и выше объем или длина пластика увеличиваются быстрее, а жесткость и прочность уменьшаются. Наиболее заметным является снижение в 1000 раз по жесткости, которое может произойти при превышении температуры стеклования полимера.

Источник

Типы реологического поведения полимеров и их растворов

Реология полимеров

Совершено, очевидно, что большие обратимые деформации полимеров (т.е. способность проявлять высокоэластичность) не всегда являются достоинством для конструкционных материалов, а в тех случаях, когда полимерному материалу необходимо придать определенную форму. Заданная форма изделия наилучшим образом сохранится тогда, когда деформация расплава (или раствора) полимера истинно необратима, т.е. является деформацией вязкого течения. Поэтому практически все методы переработки полимеров в изделия (начиная от автопокрышек и кончая волокнами и пленками) основаны на переводе полимера в вязкотекучее состояние и придании ему формы именно в том состоянии, когда вся деформация полимера или ее большая часть является необратимой.

Отрасль науки, изучающая течение жидкостей, в которых наряду с вязкостью существует и обратимая деформация, носит название реологии от греческого слова «рео», что значит «течение», «течь».

Если при деформировании полимера преобладает необратимая деформация, то значит, полимер находится в вязкотекучем состоянии. Если полимер без разложения (термодеструкции) нельзя перевести в вязкотекучее состояние, то для переработки его предварительно растворяют, а затем, после придания формы, удаляют растворитель. Так перерабатывают полимеры, служащие как лаковые и защитные покрытия; очень часто к этому методу прибегают при получении волокон и пленок.

Реологическое поведение полимеров и их растворов определяется не только температурой, но и природой полимера, его молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением (ММР), а также напряжением и скоростью сдвига, при которых осуществляется течение раствора или расплава. Поэтому нельзя характеризовать реологические свойства полимера по одной величине, скажем по величине вязкости. Охарактеризовать реологическое поведение полимера можно лишь установив зависимость вязкости от напряжения или от скорости сдвига и получив при этом кривые течения.

С этой точки зрения наиболее простым является случай, когда напряжение сдвига в полимере пропорционально скорости сдвига (кривая 1, рис. 34). С ростом напряжения сдвига пропорционально увеличивается скорость сдвига:

Рис.34 Различные типы кривых течения (реологических кривых): зависимость скорости сдвига v от напряжения сдвига τ: 1 – для идеальной ньютоновской жидкости; 2 – для псевдопластической жидкости; 3 – для идеально пластичного тела; 4 – для неидеально пластичного тела; θ3, θ4 – пределы сдвига соответственно идеально и неидеально пластичного тела.	Рис.35 Схема деформации сдвига жидкости между плоскопараллельными пластинами.

Такой тип кривой течения характерен для полимеров с узким молекулярно-массовым распределением и при переработке полимеров встречается сравнительно редко.

Обычно с ростом напряжения сдвига скорость течения растет быстрее, чем это следует из закона Ньютона (кривая 2, рис. 34). Полимеры, поведение которых в процессе течения описывается этой кривой, называются псевдопластичными жидкостями. Нетрудно сообразить, что ускорение течения, показанное кривой 2, обусловлено такими изменениями структуры полимера в процессе течения, которые приводят к падению вязкости. Чем больше напряжение сдвига, тем меньше вязкость (кривая 2, рис.35). Падение вязкости с ростом напряжения сдвига называют аномалией вязкости, а величину вязкости, зависящую от напряжения сдвига,- эффективной вязкостью.

Мы видим, что для большинства полимеров (растворов или расплавов) величина вязкости не может дать представления о реологических свойствах; в этих случаях необходимо получить полную кривую течения, т.е. зависимость вязкости (или скорости сдвига) от напряжения сдвига.

Рис.35 Различные типы зависимости вязкости от напряжения сдвига полимеров, кривые течения которых приведены на рис. 1 – ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная жидкость; 3 – идеальное пластичное тело; 4 – реальное (неидеальное) пластичное тело.

При введении наполнителя (особенно волокнистого) в полимеры частицы наполнителя образуют цепочечные структуры, соединяющиеся в пространственный каркас, обладающий значительной упругостью. При наложении напряжения сдвига такие системы сначала не текут, т. е. напряжение сдвига растет, а скорость течения остается нулевой, как это показано на рис. 34, кривые 3 и 4. Возникает некоторое предельное напряжение сдвига, после которого система течет либо как ньютоновская, либо как неньютоновская жидкость (соответственно кривые 3 и 4). Полимеры, течение в которых начинается при любом напряжении сдвига, называют вязкими; полимеры обладающие, предельным напряжением сдвига, ниже которого течение не возникает, называют пластичными.

Источник

Изучение реологических свойств полимеров

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Химия и технология

полимерных композиционных материалов»

для студентов специальности 240502.65

редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Цель работы: изучить реологические свойства полимерных материа­лов и влияние на эти свойства наполнителей.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Все жидкости можно разделить на две группы: ньютоновские и неньютоновские.

Ньютоновские жидкости подчиняются закону Ньютона, для них вяз­кость h является постоянной величиной и не зависит от скорости сдвига g (рис.1, кривая 1)

Рис. 1. Кривые течения (а) и зависимость вязкости от скорости (б) сдвига

Ньютоновские жидкости деформируются под действием самых ма­лых нагрузок, и эта деформация может развиваться бесконечно при любом напряжении сдвига, поэтому для них устанавливают связь между напряже­нием и скоростью деформации (а не собственно деформацией).

Кривые течения ньютоновских жидкостей представляют собой прямые с угловым коэффициентом 1/h (рис. 1а, кривая 1).

Неньютоновские жидкости можно разделить на три основные группы:

— стационарные нелинейные неньютоновские жидкости. Для них скорость деформации в каждой точке кривой течения представляет функцию только напряжения сдвига в этой же точке;

— нестационарные неньютоновские жидкости. Для них величина скорости сдвига зависит от времени действия напряжения или предыстории жидкости, то есть от времени воздействия;

— вязкоупругие жидкости. Они обладают свойствами твердых и жидких тел и частично восстанавливают форму после снятия напряжения.

Стационарные неньютоновские жидкости описываются реологиче­ским уравнением типа y=f(t). К ним относятся:

— бингамовские пластические жидкости, течение которых начина­ется лишь по достижении предела текучести (рис.1, кривая 2). Это жидко­сти с пространственной структурой (типа гелей), которую надо разрушить, чтобы жидкость начала течь. После снятия напряжения структура обычно вновь восстанавливается. К бингамовским пластикам относятся краски, не­которые олигомеры с минеральными наполнителями и др.;

— псевдопластические жидкости, у которых вязкость понижается с ростом скорости сдвига (рис.1, кривая 3). Псевдопластиками являются в большинстве случаев растворы полимеров достаточно высокой концентрации, у которых появляются структурные образования. Разбавленные растворы ведут себя чаще как ньютоновские жидкости. Понижение вязкости псевдопластиков объясняется частичным разрушением структуры, а также ориентацией структурных образований в направлении течения;

— дилатантные жидкости, у которых эффективная вязкость растет с увеличением скорости сдвига (рис.1, кривая 4). Они, как и псевдопластики, не имеют предела текучести. Дилатантные жидкости как бы загустевают при определенных напряжениях сдвига. Это некоторые лакокрасочные по­крытия, некоторые полимерные пластизоли.

Реологические свойства расплавов полимеров

Переработка термопластов в изделия осуществляется, как правило, из расплавов, поэтому необходимо знать свойства и поведение расплавов полимеров. Расплавы полимеров ведут себя как упруговязкие тела. Общая суммарная деформация сдвига g является суммой трех различных видов деформаций: идеально упругой gупр, эластической gэл и необратимой пластической gпл:

Идеально упругая деформация по закону Гука прямо пропорцио­нальна напряжению сдвига:

где s — модуль упругости сдвига

Идеально упругая деформация наиболее отчетливо проявляется у по­лимеров в стеклообразном состоянии, когда их свойства близки к механи­ческим свойствам низкомолекулярных твердых тел. Идеально упругая де­формация следует за приложенным напряжением со скоростью звука в среде. Эта деформация полностью обратима, она обусловлена изменением валентных углов и межатомных расстояний.

В расплавах полимеров идеально упругая деформация отчетливо не проявляется, и поэтому регистрация ее представляет значительные трудно­сти.

Расплавы термопластов проявляют способность к эластической де­формации (растяжение струи при течении, разбухание после выхода из ка­пилляра и т. д.).

Большинство термопластов в расплавленном состоянии ведут себя как аномально вязкие жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона. Для них коэффициент динамической вязкости h не является постоянной вели­чиной (как для ньютоновских жидкостей), а зависит от скорости деформа­ции и других факторов.

При переработке полимерных материалов напряжение сдвига и ско­рости деформации в очень широких пределах меняются, поэтому кривые течения строят в двойных логарифмических координатах lg g = f(lg t). Типичный вид кривой течения расплава полимера и зависимость вязкости от напряжения сдвига представлены соответственно на рис.2 (а, б).

Рис.2. Кривая течения расплава полимера а и зависимость вязкости

от напряжения сдвига s

На рис.2 можно выделить три характерных участка. В области малых значений напряжений сдвига (t tнб (участок III) имеет место ньютоновское течение с наименьшей ньютоновской вязкостью, здесь n также равен еди­нице. При увеличении напряжений сдвига на участке II расплав полимера проявляет аномально-вязкие свойства. Это так называемая «структурная ветвь» кривой течения. Функцию ha(t), характеризующую нелинейную связь между напряжением и скоростью сдвига, называют эффективной (кажущейся, эквивалентной) вязкостью

Слабая кривизна кривой в двойных логарифмических координатах позволяет описать ее так называемым степенным законом:

где n — индекс течения;

k — мера консистенции жидкости.

Обработка экспериментальных данных по пуазейлевскому течению расплавов термопластов через капилляр производится по методу Рабиновича-Вайсенберга. Метод основан на том, что в условиях установившегося ламинарного течения зависимость между напряжением сдвига на стенке капилляра tст и скоростью сдвига gст инвариантна относительно диаметра капилляра. Предполагается, что процесс течения не осложняется деструк­цией полимера и пристенным скольжением. Для этого случая при использовании степенного закона справедлива формула

Оценка вязкости расплава полимеров по кривым течения, полученным в результате эксперимента на вискозиметре, является трудоемкой про­цедурой. Поэтому применяются более простые стандартизированные мето­ды. Одним из основных методов является определение показателя текуче­сти расплава (ПТР). По нему нормируются вязкостные свойства различных марок полимеров (литьевых, экструзионных, для прессования).

Показатель текучести расплава определяют как массу полимера в граммах, проходящую через капилляр стандартных размеров при заданных температуре и давлении за 10 минут.

ПТР некоторых полимеров (ПК, ПА, ПЭТФ и др.) зависит от их влажности, с повышением содержания влаги ПТР возрастает.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Аппаратура, используемые материалы

В работе используются:

— весы для взвешивания с точностью до 0,0002 г;

Подготовка образцов и установки к испытаниям

Перед началом работы на приборе ИИРТ-А внешним осмотром опре­делить исправность прибора, надежность крепления контактного термо­метра. Для проверки температуры экструзионной камеры вставить в нее контрольный термометр. Необходимо добиться, чтобы колебания темпера­туры контрольного термометра составляли ±0,5°С. Заданную температуру контрольного термометра вывести вращением регулирующей ручки контактного термометра и выдержать при этой температуре не менее 15 мин. Обычно температура, задаваемая контактным термометром, на 20-40°С ниже температуры контрольного термометра, введенного в экструзионную камеру. Внимательно изучить схему прибора ИИРТ-А (рис.3).

1. Изучить законы течения расплавов термопластов.

2. 3нать особенности течения расплавов полимеров в каналах круглого сечения.

3. Провести определение ПТР и вязкости расплава термопласта.

4. Уяснить роль и значение изучения законов течения расплавов тер­мопластов для понимания технологии получения изделий из термопластов на оборудовании при их переработке и влияние на течение наполнителей.

Рис. 3. Схема прибора ИИРТ-А:

Выбор условий испытания проводят в соответствии с приложениями 1,2. В экструзионную камеру загружают (в течение не более 1 мин) образец нормированной массы (приложение 3) и уплотняют его. В камеру вставляют поршень, помещают на его втулку добавочный груз и проводят предварительный подогрев образца (в течение не менее 4 мин под давлением). Для предотвращения вытекания материала с высокой текучестью (10 г/10 мин) во время нагрева в капилляр снизу вставляют плотно входящую развертку.

После выдержки материала под давлением из капилляра вынимают развертку и дают возможность полимеру вытекать. При низких скоростях течения материала допускается принудительное продавливание поршня, пока не появится нить выдавливаемого материала без пузырьков, а нижняя кольцевая метка штока поршня не будет находиться в пределах от 5 до 10 мм над верхним краем цилиндра. Выдавливаемую часть материала отсекают и удаляют. Затем поршню дают возможность опуститься под действием си­лы тяжести. Когда нижняя метка на штоке достигнет верхнего края цилинд­ра, секундомером регистрируют время и одновременно режущим инстру­ментом отсекают выдавливаемую часть образца и удаляют ее. Через определенные интервалы времени (приложение 3) последовательно отсекают отрезки выдавливаемого материала в виде прутков нормированной длины (1-2 см). Процедуру прекращают, когда верхняя кольцевая метка на штоке поршня достигнет верхнего края цилиндра. Отрезки выдавливаемого материала, имеющие пузырьки воздуха, отбрасывают. Полученные прутки (3 шт.) взвешивают с нормированной точностью на аналитических весах.

Последовательно проводят два определения ПТР. Результаты испы­тания используют для расчета ПТР, если расхождение по массе между сре­занными образцами не превышает 5%.

Расчет ПТР, г/10 мин, проводят по формуле

tc — стандартное время определения ПТР (600 с);

t — интервалы времени между двумя последовательными отсечениями отрезков, с;

m — средняя масса экструдированного образца за время t, г.

За результат испытания принимают среднее арифметическое значе­ние двух измерений. Расчет вязкости расплава полимера по ПТР, проводится по следующей формуле

Скорость сдвига gПТР (с-1) рассчитываем по уравнению

где r — плотность полимера при температуре измерения ПТР, г/см3;

r — радиус капилляра, м (приложение 2).

Напряжение сдвига tПТР (Н/м2) рассчитывают по уравнению

где F — нагрузка на испытуемый термопласт, Н;

D — диаметр направляющей головки поршня (9,0 мм), м;

L — длина капилляра (8 мм),м;

V— входовая поправка (приложение 2).

Оформление результатов испытаний

По результатам работы должен быть составлен отчет, включающий теоретическую часть, результаты проведения экспериментов по изучению реологических свойств расплавов термопластов, обсуждение результатов работы, выводы.

1. Вязкость. Определение. Характеристики вязкости: характеристической, относительной удельной, приведенной. Единицы измерения.

2. Основные виды аномалии вязкости. Кривые течения аномально вязких жидкостей.

4. Агрегатное состояние полимеров.

5. Фазовое состояние полимеров.

6. Термомеханические кривые аморфных и кристаллических полимеров.

7. Основные понятия реологии, напряжения, деформации (виды деформации).

8. Идеальное тело Максвелла.

9. Кривая течения расплава в зависимости от вязкости.

10.Схема и принцип работы ИИРТ-А.

Стандартные условия определения термопластов (ГОСТ )

Источник

РЕОЛОГИЯ

Термин «Р.» предложен Ю. Бингамом; официально принят в 1929.

Простейшие (предельные) РУС-линейные соотношения между деформацией (или скоростью деформации) и напряжением. Для твердых тел это-закон Гука s = Ee, где s-нормальное (растягивающее) напряжение, e-относит. деформация растяжения, Е- модуль упругости. Соотв. определяют два крайних по своему деформац. поведению типа сред-упругое тело, при деформировании к-рого не происходит диссипации (рассеяния) энергии, и жидкость, не способная запасать энергию деформирования.

Существуют три осн. реологич. модели для тел, не подчиняющихся этим соотношениям: вязкоупругие (и упруговяз-кие) среды, пластичные тела и неньютоновские жидкости. Реальные материалы могут сочетать мех. св-ва, характерные для разл. моделей. При достаточно малых напряжениях, деформациях или скорости деформирования все РУС линейны, но при возрастании деформаций или напряжений мех. поведение тела становится более сложным и описывается нелинейными РУС. Соотв. различают линейные и нелинейные тела (среды, материалы).

Для сложного процесса мех. воздействия в области линейного поведения тела, т.е. когда f(t) не зависит от e, а y(t)-от s, справедлив принцип суперпозиции Больцмана, согласно к-рому реакция тела на любое последующее на гружение не зависит от действия всех предшествующих нагрузок.

При сдвиговом течении вязкоупругих жидкостей кроме обычных необратимых деформаций вязкого течения накапливаются и сохраняются в потоке большие упругие (высоко-эластич.) деформации. Это приводит к возникновению дополнит. напряжений (помимо сдвиговых), перпендикулярных плоскости сдвига (т. наз. нормальные напряжения). Из-за нормальных напряжений наблюдается ряд реологич. аномалии, объединяемых общим назв. эффекта Вайсен-берга: подъем вязкоупругой жидкости по стержню, вращающемуся в вязкоупругой среде; появление силы, стремящейся раздвинуть два параллельно расположенных диска, вращающихся в вязкоупругой жидкости, и др. Эти явления характерны для расплавов и р-ров полимеров.

Хотя реологич. св-ва жидкостей наиб. часто измеряют в условиях сдвигового течения, для высоковязких жидкостей теоретич. и практич. интерес представляет также одноосное (продольное) растяжение. Для ньютоновских жидкостей вязкость при растяжении равна 3h (закон Трутона); для вязкоупругих жидкостей она может значительно отличаться от 3h, что также связано с нелинейностью вязкоупругих св-в.

В жидких дисперсных системах, особенно высоконаполненных твердой фазой, разрывы сплошности возникают при относительно низком значении скорости сдвиговой деформации. Появление разрывов сплошности исключает возможность построения для таких систем полной реологич. кривой течения (см. ниже), а также служит главным препятствием для получения однородных многокомпонентных систем, напр. при перемешивании.

При очень больших скоростях деформирования может происходить стеклование полимера с последующим хрупким разрушением. Деформирование концентрир. р-ров полимеров влияет на их кристаллизацию, изменяя как равновесную т-ру фазового перехода, так и его кинетику, а также структуру (и, следовательно, св-ва) кристаллич. в-ва.

Пластичность. Различают упругопластичные тела и вязко-пластичные среды. Упругопластичные тела деформируются в соответствии с законом Гука вплоть до достижения нек-рых критич. условий (предела текучести); затем материал «течет» подобно вязкой жидкости, т.е. деформация линейно возрастает во времени (модель Сен-Венана). Для сложнонапряженного состояния в качестве предела текучести принимают критич. значение максимального касательного напряжения (критерий Треска-Сен-Венана) или интенсивности касательных напряжений (критерий Мизе-са). Важнейшими материалами, реологич. поведение к-рых описывается моделью упругопластич. тела, являются мн. конструкц. материалы, в т.ч. металлы при напряжениях, превышающих предел текучести. Пластич. деформации упругих тел реализуются при нек-рых технол. операциях-штамповке, ковке, прокатке металлов.

Неньютоновское поведение жидкостей может иметь разл. причины: в жидких дисперсных системах определяющую роль играет ориентация частиц дисперсной фазы, изменение их формы и степени агрегации, в коллоидных жидкостях-постепенно углубляющееся с ростом напряжений разрушение (или изменение) внутр. структуры; в полимерах-эффекты мех. релаксации. В конкретных случаях может иметь место наложение разл. механизмов; напр., неньютоновское поведение наполненных полимеров связано как со структурными перестройками, так и с релаксац. явлениями.

Вязкость жидкостей может зависеть от вибрационных (в т.ч. ультразвуковых), электрич., магн., световых воздействий; это относится как к р-рам и расплавам полимеров, так и к дисперсным системам.

Практическое применение реологич. исследований связано, во-первых, с возможностью сопоставлять разл. материалы по форме РУС и значениям входящих в них констант; во-вторых, с использованием РУС для решения техн. задач механики сплошных сред. Первое направление используется для стандартизации техн. материалов, контроля и регулирования технол. процессов практически во всех областях совр. техники. В рамках второго направления рассматривают прикладные гидродинамич. задачи-транспорт неньютоновских жидкостей по трубопроводам, течение полимеров, пищ. продуктов, строит. материалов в перерабатывающем оборудовании, движение буровых р-ров в пластах и т.д. Для концентрир. дисперсных систем к этим задачам примыкает установление оптим. технол. режимов перемешивания, формования изделий и т. п. Для твердых тел производят расчет напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и изделий в целом для определения их прочности, разрывного удлинения и долговечности.

Практич. интерес представляет также использование специфич. реологич. эффектов. Так, малые полимерные добавки к воде и нефтепродуктам придают жидкости новые реологич. св-ва, благодаря чему резко снижается гидравлич. сопротивление при турбулентном течении (эффект Томса). Этот эффект используют при перекачке нефтей по длинным трубопроводам. При переработке пластмасс применяют бесшнековые экструдеры, давление в к-рых развивается благодаря эффекту Вайсенберга. Добавление в смазочные масла полимерных модификаторов придает им вязкоупру-гие св-ва; в результате при сдвиге возникают нормальные напряжения и повышается несущая способность опор трения.

Геология полимеров. Все полимерные материалы в той или иной степени обладают как упругими, так и диссипативны-ми св-вами, вследствие чего они являются вязкоупругими телами или упруговязкими средами. Реологич. характеристики конкретного полимера зависят от строения его макромолекул, молекулярно-массового распределения, состава композиции в случае сложных полимерных систем, причем иногда чувствительность реологич. методов изучения молекулярной и надмолекулярной структур оказывается гораздо выше, чем традиц. методов оценки мол. параметров. Это выделяет Р. полимеров в один из важных разделов физ.-хим. исследований.

Для наполненных эластомеров проявляются реологич. эффекты, обусловленные внутр. структурой наполнителя. Так же, как и для текучих сред, в резинах наблюдаются тиксо-тропные явления, состоящие в том, что при повторных нагружениях деформац. кривые меняются и постепенно восстанавливаются исходные св-ва материала при отдыхе (эффект Маллинза). При периодич. деформациях нелинейность мех. поведения (зависимость модуля упругости от амплитуды деформации) возникает при крайне малых деформациях подобно тому, как это имеет место, напр., в дисперсных системах с низкомол. дисперсионной средой. Так же, как и для р-ров линейных полимеров, высокоскоростное деформирование резины может приводигь к мех. стеклованию, а растяжение до высоких значений способствует кристаллизации.

Задача Р. жестких полимерных материалов (пластмасс, армир. пластиков)-установление вида релаксац. спектра для линейной области мех. поведения и обобщение этого спектра на нелинейную область. Как правило, рассматривают небольшие (в геом. смысле) деформации и одновременно с проблемами собственно Р. (ползучестью, релаксацией) изучают условия разрушения материала. Предложено неск. РУС для конкретных материалов, позволяющее решать разл. прикладные задачи, связанные с их деформированием в условиях длит. нагружения, когда непосредственно проявляются релаксац. св-ва среды.

При деформировании жестких материалов, помимо ползучести, релаксации и нелинейных явлений, характерных для любых др. сред, наблюдается удлинение образца при сдвиговых деформациях (напр., при кручении проволок). Это-проявление геом. нелинейности, аналогичное эффекту Вай-сенберга в упругих жидкостях. При повторных деформациях кристаллич. полимеров часто имеет место невоспрризводи-мость реологич. кривых, связанная с разрушением кристаллич. структуры,-эффект, аналогичный тиксотропии наполненных эластомеров и текучих дисперсных систем. Наконец, при растяжении твердых пластмасс в нек-ром диапазоне т-р (ниже т-ры стеклования, но выше т-ры хрупкости) по достижении определенной критич. деформации наступает резкое изменение механизма деформирования-ступенчатое сужение исходного образца с формированием однородной «шейки» (явление вынужденной высокоэластич-ности), к-рое можно трактовать как потерю устойчивости процесса деформирования, вызванную релаксац. переходом или изменением кристаллич. структуры.

Микрореология (или структурная реология) устанавливает на основе статистич. физики связь между структурными параметрами и физ. св-вами составляющих тело элементов, с одной стороны, и его реологич. св-вами как континуума (сплошной среды), с другой. Фундам. результат в этой области-ф-ла Эйнштейна, связывающая вязкость h жидкой дисперсной системы с содержанием f сферич. частиц дисперсной фазы: h = h_S(1 + 2,5f), справедливая при f меньше I (h_S-вязкость дисперсионной среды). Впоследствии были получены обобщения этой ф-лы, учитывающие возможность гидродинамич. взаимодействия частиц дисперсной фазы, межмол. взаимодействия (поверхностные силы), несферичность твердых частиц, замену твердых частиц каплями жидкости.

Существует два осн. типа моделей структуры дисперсной системы. В первом случае предполагается, что в системе существует непрерывная сетка межчастичных связей, к-рую можно рассматривать как квазикристаллич. решетку. Часть узлов решетки свободна («вакансии»). Возможность течения системы обусловлена перемещением этих вакансий под действием сдвигового напряжения. Во второй модели рассматриваются группы частиц, двигающиеся как единое целое (агрегаты или блоки). Текучесть системы зависит от размера агрегатов, к-рый, в свою очередь, определяется скоростью деформации. Эта модель соответствует случаю более глубокого разрушения структуры при деформировании. Если структура имеет неоднородности, что характерно для высококонцентрир. систем, при деформировании может образоваться разрыв сплошности, т.е. появляется зона локализации сдвига с пониж. концентрацией дисперсной фазы.

Микрореология полимеров основана на мол.-кине-тич. моделях, представляющих полимер набором последовательно соединенных друг с другом максвелловских тел, диспергированных в вязкой или вязкоупругой среде (модели Каргина-Слонимского-Рауза и др.). Эти модели позволили объяснить и предсказать форму релаксац. спектра полимера, оценить влияние длины цепи и содержания полимера в р-ре на времена релаксации. Согласно т. наз. скейлинговой концепции, в первом приближении все длинноцепочечные полимеры проявляют подобные св-ва при надлежащем выборе масштаба сравнения, а определяющую роль в проявлении реологич. св-в полимерных систем играет только длина цепи, но не ее хим. строение. Этот подход позволил получить выражения, описывающие с точностью до численных коэффициентов реологич. св-ва полимерных материалов с помощью степенных ф-ций, подобных вышеприведенной зависимости h от М.

Микрореология и теория скейлинга (подобия) позволяют обосновать и объяснить физ. смысл параметров в РУС.

Порошки, в отличие от суспензий, не обладают текучестью и при деформировании ведут себя как твердые тела. Вибрац. воздействие, сопровождаемое обычно пропусканием газа через слой порошка, переводит порошок в состояние виброожижения. В этом состоянии порошок приобретает текучесть и его можно рассматривать как жидкость или плотный газ, в к-ром роль молекул играют частицы дисперсной фазы, а эффективная т-ра определяется параметрами воздействия. Суспензии и порошки в состоянии виброожижения имеют ряд общих св-в, т. к. их текучесть определяется происходящими в них процессами образования и разрушения структуры.

Разрушение структуры дисперсной системы при вибрации и связанное с этим уменьшение вязкости можно интерпретировать как «плавление», воспользовавшись представлениями о квазикристаллич. характере структуры. Такое «плавление» является следствием сообщения источником вибрации кинетич. энергии E частицам. Одновременно в результате добавления в систему ПАВ уменьшается потенц. энергия U межчастичных связей. Вязкость h виброожижен-ной системы зависит от параметра E/U, причем

где А-величина, слабо зависящая от U/E. Отсюда следует, что существует два способа снизить вязкость дисперсной системы: увеличить E вибрацией или снизить U добавлением ПАВ. Методы структурной Р. и виброреологии концентрир. дисперсных систем эффективно используются в процессах переработки дисперсных систем и получения дисперсных материалов, в технологии бетона, процессах трубопроводного гидротранспорта высококонцентрир. масло- и водоугольных суспензий, технологии получения абразивных материалов на керамич. связующем, а также многокомпонентных порошкообразных материалов, в пищ. пром-сти. Технол. процессы ускоряются в десятки и сотни раз в результате уменьшения вязкости (роста текучести) систем; при этом значительно повышается однородность структуры и соотв. качество (прочность и долговечность) дисперсных композиц. материалов.

Электро- и магнитореология-области Р., изучающие влияние электрич. и магнитных полей на течение жидких дисперсных систем. Возможность регулирования реологич. св-в дисперсных систем воздействием на них электрич. поля была установлена на примере пластичных смазок. Электро- и магнитореологич. эффекты проявляются в усилении эффекта неньютоновского течения, роста предела текучести при сдвиге и модуля упругости, что обусловлено усилением структурообразования в системах с преим. неводной дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы, обладающими диэлектрич. и ферромагнитными св-вами. Разработаны спец. составы электрореологич. суспензий, весьма чувствительных к воздействию электрич. полей. В качестве дисперсионных сред обычно используют маловязкие углеводородные жидкости с высоким уд. электрич. сопротивлением (до 10 20 ОмYм) и диэлектрич. проницаемостью от 2 до 5 (парафиновые и ароматич. углеводороды, р-ры полимеров, силиконовые жидкости и т. д.). В качестве дисперсной фазы используют в-ва, проявляющие склонность к структурированию в электрич. поле: титанаты Ва, Са, Mg, Zn, сополимеры стирола, глутаминовую к-ту, виннокислый калий. Перспективно применение высокодисперсных адсорбентов, напр. диатомитов, аэросила, с адсорбированными на их пов-сти в-вами, способными образовывать с адсорбентами водородные связи (спирты, высшие жирные к-ты, амины). Для снижения вязкости, повышения агрегативной и седи-ментац. устойчивости в состав электрореологич. суспензий включают глицерин, олеаты и стеараты сорбита и др. Электрореологич. суспензии применяют в качестве рабочей жидкости гидравлич. систем, в виде тонких пленок в тормозных и др. устройствах, в т.ч. в коробках передач, генераторах крутильных колебаний и т. п.

Магнитореологич. феррожидкости могут содержать частицы коллоидных размеров или быть грубодисперсными суспензиями, в к-рых твердая фаза-частица карбонильного железа, электролитич. или карбонильного никеля в различных, преим. орг., средах. Коллоидные феррожидкости характеризуются плавным переходом в область нелинейной вязкоупругости (магнитомягкие жидкости), суспензии обнаруживают под действием магн. поля резкое увеличение вязкости, предельного напряжения сдвига, модуля упругости (магнитожесткие жидкости).

Магнитореологич. св-ва жидкостей используют в разл. преобразователях и исполнит. механизмах, дросселях, насосах-дозаторах, амортизаторах и т.п. Это позволяет отказаться от сложных подвижных мех. устройств, уменьшить габариты и увеличить надежность аппаратов.

Лит.: Реология суспензий, пер. с англ., М., 1975; Виноградов Г. В., Малкин А. Я., Реология полимеров, М., 1980; Урьев Н.Б., Высококонцентрн-рованные дисперсные системы, М., 1980; Левтов В. А., Регирер С. А., Шадрина И.Х., Реология крови, М., 1982; Щульман З.П., Кордонский В.И., Магнитореологический эффект, Минск, 1982; Шкурина К. П., Фалалеев Г. Н., Вазетдинола Ф. 3., Реологические свойства горных пород и прогнозирование устойчивости подготовительных выработок, Fr., 1984; Малкин А.Я., Кули-чихин С. Г.. Реология в процессах образования и превращения полимеров, М., 1985; Вострокнутов Е. Г., Виноградов Г. В., Реологические основы переработки эластомеров, М., 1988; Урьев Н.Б., Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов, М., 1988.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Источник