XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Реология (от греч. rheos – течение, поток и logos – слово, учение) — это раздел физики, который изучает деформацию и текучесть вещества. Термин «реология» появился благодаря американскому учёному Юджину Бингаму, которому принадлежат важные исследования реологических жидкостей и дисперсных систем.

Проводя исследования деформационных свойств реальных тел, этот раздел занимает промежуточное положение между теорией упругости и гидродинамикой.

Начальные понятия, относящиеся к реологии - это ньютоновская жидкость, вязкость которая не зависит от режима деформирований, и идеально упругое тело, в котором в каждый момент времени величина деформации пропорциональна приложенному напряжению. Эти понятия были обобщены для тел, проявляющих одновременно пластичные и упругие свойства. Практические приложения реологии описывают поведение конкретных материалов при нагрузках и при течении.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Научные основы реологии

Реология основана на фундаментальных законах гидромеханики и теории упругости и пластичности (включая закон Ньютона для вязкого трения в жидкостях, уравнения Навье-Стокса для движения несжимаемой вязкой жидкости, закон Гука о сопротивлении деформации упругого материала) корпус и т. д.).

Реологию можно рассматривать как часть механики сплошных сред. Основная задача реологии - определить взаимосвязь между механическими напряжениями, возникающими в теле, и вызываемыми ими деформациями и их изменениями во времени.

Основное внимание обращается на сложное реологическое поведение вещества (например, когда одновременно проявляются свойства вязкости и упругости или вязкости и пластичности и т.д.).

Реология охватывает круг вопросов от теории идеально упругих тел и механики ньютоновских жидкостей и до задач, связанных с деформацией и потоками реальных материалов, встречающихся на практике.

1.2 Реологические свойства

Одной из характерных черт полимерных растворов является вязкость, которая очень высока по сравнению с растворами низкомолекулярных веществ, может изменяться при различных расходах, сильно зависит от температуры, нелинейно изменяться с концентрацией раствора и связанной с этим с молекулярной массой полимера в определенных соотношениях.

Вязкость - это свойство жидких, а также газообразных и твердых тел сопротивляться их течению под действием внешних сил.В системе CИ измеряется (Н·с/м²) или (Па·с).

При теоретическом рассмотрении вязкости жидкость представляется как бесструктурная сплошная среда. Когда вы прикладываете силу к жидкости, она начинает течь. Когда вещество течет под действием возложенной на него нагрузки, молекулы или атомы начинают контактировать с соседними атомами или молекулами. Таким образом, существующие связи могут, как растворяться, так и преобразовываться. В то же время сопротивляйтесь потоку. Это сопротивление потоку известно как вязкость.

Например, для воды силы связи между молекулами очень малы и легко преодолеваются, поэтому вода легко течет под воздействием сил, прилагаемых извне, и вязкость ее невысока. У некоторых других жидкостей силы межмолекулярного взаимодействия будут намного выше[2].

Существует 2 типа потока: поток сдвига и поток удлинения (растяжения) рисунок 1.

Рисунок 1 - Типы потока

Сдвиговый поток получается между двумя подвижными поверхностям или когда жидкость течёт в канале с трением возле стенок: это случай потока под действием давления. Это обычно возникает при течении воды в реке, но также с полимерным расплавом, направляемым через капилляр в форму.

Вязкость определяется как отношение между напряжением и соответствующей скоростью деформации, представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Вязкость сдвига

Поток удлинения (или растяжения) получается при растяжении объёма твердого тела или жидкости (рисунок 3). Такие процессы, как, например, выдув плёнки, создают напряжения удлинением, эффекты удлинения также могут наблюдаться в потоке внутри канала с изменяемым сечением [4].

Реологические свойства полимера можно охарактеризовать, лишь установив зависимости вязкости от напряжения и скорости сдвига, или зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига. Эти зависимости называются кривыми течения. На рисунках 4 и 5 представлены различные типы зависимости вязкости от напряжения сдвига полимеров [6].

Рисунок 4 - Различные типы кривых течения (реологических кривых): зависимость скорости сдвига v от напряжения сдвига τ, 1- ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная жидкость; 3- идеально пластичное тело; 4 – реальное пластичное тело; θ₃, θ₄ – пределы сдвига соответственно идеально и неидеально пластичного тела.

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. 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 . Падение вязкости с ростом напряжения сдвига называют аномалией вязкости, а величину вязкости, зависящую от напряжения сдвига,- эффективной вязкостью.

Рисунок 5 - Различные типы зависимости вязкости от напряжения сдвига полимеров, 1- ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная жидкость; 3- идеально пластичное тело; 4 – реальное пластичное тело [1].

При введении наполнителя в полимер, 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. 4, кривые 3 и 4. Возникает некоторое предельное напряжение сдвига, после которого система течет либо как ньютоновская, либо как неньютоновская. Полимеры, течение в которых начинается при любом напряжении сдвига, называют вязкими; полимеры обладающие, предельным напряжением сдвига, ниже которого течение не возникает, называют пластичными.

Для решения граничных задач важен анализ на динамическую устойчивость, поскольку сочетание вязкости и упругости устанавливает предел возможности течения как при сдвиге, так и при растяжении.

Для представления больших упругих деформаций лучше всего применяется упругий потенциал степенного типа.Деформирование также может привести к нарушению фазового состояния полимерной системы. Кроме того, потребуется точная формулировка граничных условий, так как во некоторых случаях полимерные жидкости, и особенно наполненные материалы, склонны к эффективному пристенному скольжению [10].

Температура текучести, при которой необратимые деформации начинают преобладать над эластической деформацией. Этой температуре соответствует перегиб термомеханической кривой, который показывает, что полимер перешел в вязкотекучее состояние. Типичные термомеханические кривые для кристаллических полимеров представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Термомеханические кривые

полимеров различных типов [5]:

1 и 2 - аморфные; 3 и 4 - кристаллические;

5 и 6 - переохлажденные кристаллические.

Кривая 3 относится к полимеру, который плавится при температуре Т_т и сразу переходит в вязкотекучее состояние: кривая 4 - к полимеру, который после плавления переходит в каучукоподобное состояние (на втором горизонтальном участке кривой). При охлаждении ниже температуры T_g, жесткость полимера равномерно растет. Этот температурный переходотносится к стеклованию аморфных областей, существующих в любом кристаллическом полимере. Чем меньше у полимера степень кристалличности, тем большей деформации соответствует положение термомеханической кривой. Если расплав кристаллического полимера резко охладить ниже температуры стеклования, то затем при нагреве выше температуры T_g он почти сразу же переходит в каучукоподобное состояние. Последующее поведение полимера зависит от скорости его кристаллизации.

Если скорость кристаллизации полимера настолько мала, что за время определения термомеханической кривой вплоть до температуры плавления кристаллизация не будет заметна, то такой переохлажденный полимер будет вести себя подобно аморфному полимеру.

Технологический процесс

Термопластичные полимерные материалы перерабатываются в различные изделия в расплавленном состоянии. В технологическом процессе переработки полимер дозируют, расплавляют, транспортируют, формуют и охлаждают до твердого состояния. В процессе переработки расплавов термопластов осуществляется их течение в каналах сложной геометрии в неизотермических условиях. Поэтому к технологическим свойствам термопластов относятся их реологические и теплофизические свойства, кинетика фазовых переходов, а также объемные характеристики сыпучих материалов в твердом состоянии [7].

Кривая течения, вязкость при установленной скорости сдвига и наибольшая ньютоновская вязкость используются для сравнительной характеристики сырья и математического моделирования технологического процесса. Показатель текучести расплава используется для сравнительной характеристики сырья и выбора способа переработки.

Константы реологических уравнений состояния применяются для математического моделирования процессов, потери давления на входе в канал - для математического моделирования процессов и сравнительной характеристики сырья.

Зависимость реологических свойств термопластов от температуры и гидростатического давления, скорость скольжения расплава по стенке канала используется для математического моделирования процессов, условия наступления неустойчивых режимов течения встречается для определения предельной и необходимой скорости экструзии при заданных размерахформующего инструмента, кинетики фазовых переходов, температуры стеклования и плавления, коэффициенты тепло- и температуропроводности, теплоемкость - для математического моделирования процессов и термостабильность расплава - для определения оптимальных размеров агрегата для переработки термопластов.

Температурный режим переработки полимерного материала используется для приблизительного выбора режима переработки с некоторым допустимым содержанием влаги и летучих в расплаве - для выбора различных режимов подготовки, например сушки сырья. Насыпная плотность полимерных гранул используется для выбора дозаторов, а технологическая усадка - для математического моделирования, проектирования литьевых форм. В данном случае термин "математическое моделирование" употребляется с размахом. Режим переработки и конструкция оборудования должны соответствовать технологическим свойствам сырья.

Развитие научной и вычислительной техники позволяет создавать сложные математические модели, которые очень точно описывают процессы переработки полимеров и являются средством повышения эффективности этих процессов и устройства оборудования. Это довольно новое направление в методике изучения технологии переработки предусматривает исследование технологических свойств термопластов с целью не только контроля качества и сравнительной характеристики сырья, но и математического моделирования процессов переработки [7].

2 МЕТОДИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ТЕКУЧЕСТИ РАСПЛАВА ТЕРМОПЛАСТОВ НА ПРИБОРЕ ПТР-ЛАБ-02

Оборудование: ПТР-ЛАБ-02, технические весы.

Для испытания применялись образцы разных марок полипропилена в виде гранул.

Порядок работы на приборе.

1. Включаем прибор в сеть, затем устанавливаем капилляр, задаем нужную температуру, время стабилизации, время отсечения образцов, после чего прибор нагревается без образца до соответствующей температуры испытаний и выдерживается его при этой температуре в течение не менее 15 мин.

2. В капилляр вставляем плотно входящую магнитную заглушку для предотвращения вытекания материала во время прогрева, вынимаем поршень, загружаем в экструзионную камеру образец материала и вручную уплотняем его. Чтобы исключить попадание воздуха в испытуемый материал, время загрузки его не должно превышать 1 мин.

3. В камеру вставляем поршень и помещаем на втулку добавочный груз массой 2,16 кг. После выдержки под давлением в течение 10 мин (время выдержки должно составлять не менее 4 мин), вынимаем из капилляра заглушку и даем полимеру течь.

При низких скоростях течения материала допускается продавливание поршня вручную до тех пор, пока нижняя кольцевая метка штока поршня не будет выше на 5-10 мм верхней кромки экструзионной камеры. Время от момента освобождения капилляра до начала измерений не должно превышать 1 мин.

4. Как только нижняя кольцевая метка штока поршня опустится до верхней кромки экструзионной камеры, весь экструдированный материал срезаем и в расчет его не принимают. Измерение показателя текучести расплава производим до тех пор, пока верхняя метка на поршне не опустится до верхней кромки экструзионной камеры.

5. Для измерения показателя текучести расплава отбираем отрезки экструдированного материала, последовательно отсекаемые через определенные интервалы времени (10-20 с). Отрезки, имеющие пузырьки воздуха, отбрасываем.

6. После охлаждения полученные отрезки взвешиваем каждый по отдельности. Число их должно быть не менее трех. Масса отрезка определяется как среднее арифметическое результатов взвешивания всех отрезков.

7. После окончания измерений освобождаем капилляр и удаляем из прибора остатки полимера.

8. После каждого испытания экструзионную камеру прочищаем в горячем состоянии. Поршень вынимаем и чистим в горячем состоянии тканью. Капилляр прочищаем плотно входящим медным стержнем. При удалении остатков полимера или очистке какой-либо детали прибора запрещается применять абразивные или другие подобные им материалы.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Масса образцов (по результатам взвешивания) представлена в таблицах 1-3.

Таблица 1

№	Полипропилен 01030
	t =1700С		t =1900С		t =2100С		t = 230 0С		t = 250 0С
	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек
	х	х	х	х	х	х	х	х	х	х
1	0,015	0,025	0,030	0,0500	0,050	0,090	0,065	0,135	0,105	0,230
2	0,015	0,030	0,030	0,0550	0,050	0,090	0,070	0,135	0,105	0,205
3	0,015	0,030	0,025	0,0550	0,045	0,090	0,070	0,135	0,105	0,220
4	0,020	0,025	0,025	0,0550	0,045	0,090	0,070	0,135	0,105	0,215
5	0,020	0,025	0,020	0,0550	0,050	0,090	0,070	0,130	0,110	0,205
6	0,015	0,025	0,035	0,0550	0,045	0,095	0,065	0,130	0,105	0,200
7	0,015	0,025	0,025	0,0500	0,045	0,095	0,075	0,140	0,110	0,215
8	0,015	0,030	0,030	0,0600	0,050	0,095	0,065	0,140	0,100	0,210
9	0,015	0,030	0,030	0,0600	0,045	0,095	0,065	0,140	0,100	0,205
10	0,015	0,030	0,030	0,0550	0,045	0,090	0,075	0,130	0,105	0,205
11	0,020	0,030	0,025	0,0550	0,050	0,095	0,065	0,140	0,115	0,210
12	0,020	0,030	0,025	0,0600	0,045	0,095	0,065	0,135	0,115	0,220
13	0,015	0,030	0,035	0,0600	0,045		0,065	0,135	0,105	0,230
14		0,030	0,030		0,045		0,065		0,105
15			0,025				0,065		0,110
16			0,025				0,065		0,100
17							0,075		0,105
18							0,065
19							0,070

Таблица 1 – Масса образцов полипропилена марки 01030

Таблица 2

№	Полипропилен 01270
	t = 170 0С		t =1800С	t =1900С			t = 210 0С		t = 230 0С
	10 сек	20 сек	10 сек	10 сек	20 сек	10 сек		20 сек	10 сек	20 сек
	х	х	х	х	х	х		х	х	х
1	0,130	0,270	0,170	0,205	0,400	0,340		0,600	0,515	0,945
2	0,120	0,260	0,160	0,205	0,420	0,350		0,600	0,500	0,910
3	0,125	0,250	0,180	0,205	0,410	0,340		0,650	0,505	0,985
4	0,125	0,260	0,160	0,200	0,420	0,350		0,630	0,515	0,980
5	0,125	0,250	0,180	0,205	0,420	0,340		0,620
6	0,125	0,275	0,170	0,210	0,410	0,340		0,610
7	0,130	0,625	0,180	0,205	0,420	0,340		0,650
8	0,120		0,170	0,205	0,440
9	0,130		0,170	0,220	0,430
10	0,130		0,160	0,210
11	0,125		0,170	0,220
12	0,130		0,160	0,220
13	0,120		0,170
14			0,160
15			0,160
16
17
18
19

Таблица 2 – Масса образцов полипропилена марки 01270

Таблица 3

№	ПолипропиленV1070
	t = 170 0С		t = 190 0С		t = 210 0С		t = 230 0С		t = 250 0С
	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек	10 сек	20 сек		10 сек	20 сек
	х	х	х	х	х	х	х	х		х	х
1	0,025	0,055	0,060	0,115	0,085	0,280	0,135	0,280		0,180	0,365
2	0,025	0,050	0,055	0,110	0,085	0,180	0,135	0,260		0,165	0,370
3	0,025	0,055	0,060	0,110	0,080	0,195	0,125	0,250		0,180	0,365
4	0,020	0,050	0,065	0,105	0,080	0,220	0,125	0,260		0,165	0,375
5	0,025	0,045	0,060	0,105	0,080	0,215	0,120	0,280		0,165	0,370
6	0,025	0,050	0,055	0,105	0,085	0,250	0,125	0,250		0,170	0,370
7	0,020	0,050	0,055	0,100	0,085	0,295	0,120	0,270		0,170	0,380
8	0,020	0,050	0,065	0,105	0,080		0,135	0,260		0,170	0,365
9	0,025	0,050	0,060	0,105	0,080		0,120	0,270		0,180	0,385
10	0,025	0,055	0,055	0,100	0,085		0,125	0,260		0,180
11	0,020	0,045	0,055	0,105	0,080		0,130	0,260
12	0,025	0,045	0,065	0,110	0,080		0,125	0,270
13	0,025	0,050	0,065	0,100	0,080		0,130	0,270
14	0,025			0,115	0,085		0,130	0,270
15					0,085		0,120	0,260
16							0,125
17							0,125
18							0,125
19

Таблица 3 – Масса образцов полипропилена марки V1070 производство Германия

Значения ПТР образцов полипропилена (по результатам расчета) при различных температурах представлены в таблице 4. Ошибка составляет

Таблица 4

Марки полипропилена	Значение ПТР, г/10 мин при:
	170оС	180оС	190оС	210оС	230оС	250оС
ПП 01030	1,02±	-	1,68±	2,7±	4,08±	6,36±
ПП 01270	7,8±	9,84±	12,48±	20,4±	28,65±	-
ПП V1070 производство Германия	1,44±	-	3,6±	4,92±	7,56±	10,38±

Таблица 4 – Значения ПТР образцов полипропилена разных марок при различных температурах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для того чтобы обеспечить постоянство процесса, необходимо контролировать реологические свойства материала. Связь между реологическими свойствами и структурой является важнейшим фактором разработки полимеров, которые удовлетворяют требованиям технологического процесса.

Так как полимерные материалы по своей сути – термопластики, то наиболее важная часть процесса происходит в расплавленном состоянии. Для них характерно довольно сложное поведение, которое нуждается в хорошем описании для понимания и дальнейшей оптимизации процессов. При этом главной проблемой считается именно правильное сочетание описания наложения больших упругих деформаций на необратимое течение вязкоупругой среды.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

Реология расплавов и растворов полимеров[Электронный ресурс] // Информационный ресурс ppt-online – Режим доспупа:https://ppt-online.org/321194/ , свободный – Загл. с экрана.

Реологические свойства[Электронный ресурс] // Информационный ресурс medbe – Режим доспупа: https://medbe.ru/materials/stomatologicheskoe-materialovedenie/reologicheskie-svoystva/, свободный – Загл. с экрана.

Физико-химия полимеров: Реологические свойства расплавов полимеров[Электронный ресурс] // Информационный ресурсhi-edu – Режим доспупа: http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook839/01/part-011.htm/, свободный – Загл. с экрана.

Вязкость полимеров [Электронный ресурс] // Информационный ресурс studopedia – Режим доспупа: https://studopedia.ru/6_27274_vyazkost-polimerov.html /, свободный – Загл. с экрана.

Теоретическая часть реологии полимеров[Электронный ресурс] // Информационный ресурс studfile – Режим доспупа: https://studfile.net/preview/6312463/, свободный – Загл. с экрана.

Типы реологического поведения полимеров и их растворов[Электронный ресурс] // Информационный ресурсstudopedia –Режим доспупа: https://studopedia.ru/2_7289_tipi-reologicheskogo-povedeniya-polimerov-i-ih-rastvorov.html , свободный – Загл. с экрана.

Реология полимеров [Электронный ресурс] // Информационный ресурс komef– Режим доспупа: http://www.komef.ru/reopolimer.pdf

Изучение реологических свойств материалов[Электронный ресурс] // Информационный ресурсtirit – Режим доспупа: https://tirit.org/articles/rheology_01.php , свободный – Загл. с экрана.

Куличихин В.Г.Реология и переработка полимеров[Текст]:статья / Куличихин В.Г. Год издания: 2019.

Малкин А.Я. Современное состояние реологии полимеров: достижения и проблемы[Текст]: Малкин А.Я. Издательство: Российская академия наук (Москва). Год издания: 2009.

Код для цитирования: Скопировать