Методички / 1057

3.4.После достижения заданной температуры загрузите в цилиндр прибора 4 - 5 г материала (примерно 2/3 объема цилиндра).

3.5.Поршень вместе с грузами установите в цилиндр прибора и прогрейте материал в цилиндре в течение 5 мин.

3.6.Через 5 минут, НЕ ВЫКЛЮЧАЯ СЕКУНДОМЕРА,

извлеките заглушку из отверстия капилляра, освободите груз из зажимного устройства, наблюдайте перемещение поршня с грузом до достижения нижней меткой на хвостовике порш-

ня верхней плоскости рабочей камеры прибора. Запишите показания секундомера – это начальное время прогрева мат-

ериала в цилиндре прибора (τ0). Дальнейшие замеры прово-

дятся в зависимости от предложенного преподавателем спо-

соба определения времени термостабильности

Таблица 1 -Результаты измерений при определении времени термостабильности.

расплава из капилляра, а также к потере энергии при обра-

зовании вихревых потоков в «мертвых» зонах при перехо-

де из цилиндра в капилляр. Это потери энергии на входо-

вые эффекты и могут быть определены графическим мето-

дом или методом двух капилляров, через потери давления.

1 – ньютоновская жидкость; 2 – псевдопластичная жидкость

Рисунок 4 – Влияние напряжения сдвига (скорости сдвига) на вязкость полимерных систем:

Рисунок 5 – Зависимость вязкости расплава полимера

от температуры.

11

На схеме (рисунок 6) показано изменение профиля скорости течения расплава при переходе потока из канала большего диаметра (Dk) в канал меньшего диаметра (dk) и

формирование вихревых потоков. Течение расплава идет под

действием внешнего давления Р. В канале диаметром Dk тече-

ние расплава носит установившийся характер и профиль ско-

ростей в потоке параболический. При переходе в канал мень-

шего диаметра он изменяется на трапецевидный, поток те-

чет в неустановившемся режиме. Давление Р на входе в канал диаметром dk расходуется на перестройку течения от неустановившегося режима к установившемуся (вновь профиль становится параболическим) на некоторой длине канала Lвход (ΔРвход) и на преодоление сопротивления тече-

нию за счет вязкого трения на длине канала Lвязк (ΔРвязк).

Изменение давления на участке канала Lвход нелинейно, а

на участке Lвязк пропорционально произведению Lвязк х η,

т.е. линейно. Величина входовых потерь Рвход графически определяется как отрезок на оси ординат, отсекаемый продолжением линейного участка графика Р = f (L). Если продолжить эту линию до уровня, соответствующего Р, то опустив перпендикуляр на ось L, можно найти фиктивную дополнительную длину канала (L фикт), на которую надо бы ло бы удлинить канал, чтобы по всей его реальной длине

реализовывалось вязкое течение.

12

РАБОТА №3

Определение термостабильности расплава полимера.

1.Цель работы: Определение периода термостабильности расплавов полимеров в зависимости от температуры или состава материала (по указанию преподавателя).

2.Материалы и оборудование:

Термопласты в гранулированном или порошкообразном виде.

Прибор ИИРТ с набором грузов, капилляры, индикатор часового типа, секундомер, аналитические весы с разнове-

сами.

3. Порядок выполнения работы:

3.1.В соответствии с описанием прибора ИИРТ подготовьте его к работе. Установите и закрепите капилляр в цилиндре прибора, после чего установите в цилиндр прибора ртутный термометр для контроля фактической температуры нагрева.

3.2.Установите задатчик температуры прибора на темпера-

туру, указанную преподавателем (как правило, она лежит в интервале температур переработки исследуемого матери-

ала). Запишите значение температуры эксперимента в лабо-

раторный журнал (Таблица 1)

3.3. Проволочной заглушкой закройте отверстие капилляра.

41

Библиографический список к лабораторной работе № 2.

1.Основы технологии переработки пластмасс. Учебник для вузов./ Под ред В.Н. Кулезнева и В.К. Гусева – М.: «Химия», 2004. – 600с. (С. 82-93).

2. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов, Л.: Химия, 1983. - 288с (С.94-116). 3.Полиолефины. Каталог. Филиал НИИТЭХИМ, Черкассы, 1990. – 25 с.

4. Макаров В.Г., Каптенармусов В.Б. Промышленные тер-

мопласты: Справочник. – М.: АНО «Издательство Химия», 2003. – 208 с.

5. Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Выбор пластмасс для переработки и эксплуатации. Л.: Химия, 1987, 416 с.

40

Рисунок 6 – Схема формирования входовых потерь

Если продолжить эту линию до уровня, соответствую-

щего Ро, то опустив перпендикуляр на ось L, можно найти фиктивную дополнительную длину канала (L фикт), на кото-

рую надо было бы удлинить канал, чтобы по всей его реаль-

ной длине реализовывалось вязкое течение.

1.2 ПОКАЗАТЕЛЬ ТЕКУЧЕСТИ РАСПЛАВА ТЕРМОПЛАСТОВ

В промышленности для качественной оценки техно-

логичности термопластов различных марок и партий исполь-

зуют показатель текучести расплава /ПТР/, который опреде-

ляется по ГОСТ 11645-73 на приборе ИИТР (существует нес-

колько модификаций этого прибора).

Показатель текучести расплава характеризует вяз-

кость термопластов выше температуры текучести и выража-

ется количеством материала (в граммах), выдавленного че-

13

рез капилляр в течение 10 мин при стандартных для каждого полимера условиях (температура, груз, размеры капилляра и время прогрева материала в цилиндре прибора).

Условия определения ПТР для некоторых термоплас-

тов приведены в Приложении 1 (в соответствии с ГОСТ

11645-73).

Оценка ПТР проводится на капилляре диаметром 9,48 мм длиной 8 мм, диаметр отверстия капилляра – 2 мм (или 1мм).

где m – средняя масса экструдата в опыте (загрузке), г; t – время выдавливания одного экструдата, с.

ПТР определяют при сравнительно низких скоростях

(100 –101с-1) и напряжениях сдвига, т.е. этот показатель ха-

рактеризует вязкость (ηптр) при низких сдвиговых воздейст-

виях и соответствует только одной точке на кривой течения..

При переработке экструзией скорости сдвига составля-

ют порядка 101-102 с-1, при литье под давлением скорости сдвига изменяются в широком диапазоне: заполнение формы идет при скорости сдвига примерно 5.102 –5 103с-1, а в литни-

ковых каналах и во впусках до 105 -106с-1, поскольку они име-

ют меньшие поперечные размеры, чем формующая полость.

Поэтому возникает вопрос, можно ли по величине ПТР оце-

14

Вопросы для подготовки к лабораторной работе №2

и ее защите.

1.Дайте определение показателя текучести расплава термо-

пласта.

2. Как значение ПТР связано с вязкостью расплава термо-

пласта, молекулярной массой полимера?

3. Является ли ПТР полной характеристикой реологическо-

го поведения расплава термопласта?

4.Можно ли сравнивать по значениям ПТР вязкостные свойства различных полимеров?

5.Как по значению ПТР рассчитать условную вязкость расплава термопласта?

6.В чем отличие условной вязкости от эффективной вяз-

кости расплава?

7. Как привести значения ПТР, определенные при различ-

ных условиях, к значениям при одинаковых условиях? 8.Какой уровень ПТР имеют марки термопластов, перера-

батываемые литьем под давлением, экструзией, прессова-

нием, марки, используемые для производства волокон? 9. По значению ПТР литьевой и экструзионной марок поли-

мерного материала и данным о плотности их расплавов рас-

считайте вязкости в условиях определения ПТР, сравните полученные результаты.

39

3.14. Снова соберите прибор и повторите еще раз опера-

ции по п.п. 3.5 –3.13.

3.15. Взвесьте каждый экструдат на аналитических весах с точностью до 0,001г в порядке срезания. Результаты

взвешивания запишите в таблицу (п.2.3.5). Рассчитайте

среднее значение массы экструдата для каждого опыта и рассчитайте ПТР по формуле :

где: М – среднее значение массы отрезков, экструдированных в одном опыте, г.;

t – время истечения каждого отрезка, с;

600 – коэффициент перехода от секунд к 10 мин.

3.16.За характеристику текучести расплава термопласта принимают среднее из двух значений ПТР, расхождение между которыми должно быть не более 5%.

3.17.По полученному значению ПТР для исследованного образца полимера определите марку по каталогу для данного типа материалов (Полиолефины, Полистирольные пластики, Полиамиды и др.).

38

нивать вязкость промышленных марок термопластов и их формуемость в условиях литья.

Это можно делать в том случае, если два материала имеют кривые течения подобные друг другу (рисунок 7).

Рисунок 7 – Кривые течения двух полимеров подобны.

Если кривые течения не подобны (рисунок 8), то по ПТР нельзя сравнивать вязкости разныхматериалов и их формуемость.

Рисунок 8 – Кривые течения двух полимеров не подобны.

15

Вязкость и формуемость промышленных материалов

можно сравнивать по ПТР в следующих случаях:

материалы (партии) относятся к одной и той же марке полимера, но имеют разный ПТР;

материалы относятся к разным базовым маркам по вяз-

кости и имеют разный ПТР;

В этих случаях материалы имеют одинаковый харак-

тер зависимости вязкости от скорости сдвига, но разную молекулярную массу.

Вязкость и формуемость прмышленных материалов

нельзя сравнивать по ПТР в следующих случаях:

материалы относятся к разным классам полимеров по химическому строению. Кроме того, условия определения ПТР для разных полимеров, как правило, отличаются;

материалы представляют собой разные типы

марок.

Так по ПТР нельзя сравнивать вязкость полимера базо-

вой марки и специальной марки, полимера имеющего сши-

тое или разветвленное строение, разное ММР;

иногда нельзя сравнивать по ПТР материалы на базе одного и того же полимера, но выпускаемые разными фир-

мами, поскольку они могут иметь разное ММР, содержать добавки, отличаться по структуре.

16

и набирается несколькими отдельными дисками, масса кото-

рых указывается в описании прибора).

3.9.Выдержите материал под грузом в течение 10 мин для стабилизации температуры расплававовсемобъеме камеры.

3.10.Выньте проволочную заглушку из капилляра. При пере-

мещении штока вниз под тяжестью груза следите за положе-

нием нижней метки на штоке. За время перемещения штока вниз происходит формирование установившегося течения расплава полимера. В момент достижения нижней метки по-

верхности крышки термостатирующего цилиндра отсеките лопаткой материал, вытекший из отверстия капилляра. 3.11. Включите секундомер и через заданные промежутки времени (15 или 30 с) срезайте экструдаты, выходящие из ка-

пилляра. Срежьте 3-4 экструдата при перемещении штока от нижней метки до верхней. Экструдаты укладывайте в поряд-

ке срезания.

3.12.Для удаления оставшегося в рабочей камере расплава откройте задвижку, удерживающую капилляр, и выдавите штоком с грузами остаток расплава вместе с капилляром на теплоизолирующую подставку.

3.13.Латунным шилом или медной проволокой прочистите отверстие капилляра. Камеру вычистите до блеска шомполом, с намотанной на него сухой хлопчатобумажной тканью

37

3.5. После нагрева рабочей камеры прибора до заданной тем-

пературы установите с нижней стороны в отверстие капилля-

ра проволочную заглушку для предотвращения вытекания расплава из камеры во время прогрева.

3.6. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений:

3.7. Загрузите в камеру 4-6 г анализируемого материала.

При загрузке материал тщательно уплотняйте латунным шомполом, чтобы удалить пузырьки воздуха.

3.8. После заполнения камеры материалом (примерно на 2/3

его объема) поршень с установленными на нем дисками-гру-

зами (нагрузка выбирается в соответствии с Приложением 1

36

Возможность сравнивать вязкость по ПТР определя--

ется по подобию изменения вязкости от скорости сдвига для двух материалов следующим образом. Для каждого из мате-

риалов ПТР определяют при нагрузках Р и 10Р.

Если отношение ПТР при Р к ПТР при 10Р близко для анализирумых материалов, то для них вязкость при измене-

нии скорости сдвига изменяется подобно (рисунок 9), и по ПТР можно проводить сравнение вязкости и формуемости этих материалов.

Если отношения ПТР сильно различаются для мате-

риалов при нагрузках Р и 10Р. (рисунок 10), то ПТР не мо-

жет использоваться для сравнения их вязкости и формуе-

мости.

ПТР одного и того же полимера по стандартам раз-

ных стран, а также рекомендациям ГОСТ 11645-73 может быть определен при разных условиях. Для сравнения вязкост-

ных свойств полимера по значениям ПТР, определенным при различных условиях, надо рассчитать коэффициент приведе-

ния.

Рисунок 9 - Зависимость вязкости от скорости сдвига для материалов с подобным характером течения расплава.

17

Рисунок 10 - Зависимость вязкости от скорости сдвига для материалов с различным характером течения расплава.

Если ПТР1 материалаопределен при Р1 и Т1 , а ПТР2

при Р 2 и Т2, то коэффициент приведения можно рассчитать

как:

где: ЕН – энергия активации вязкого течения в ньютоновской области, кДж/кмоль;

R – газовая постоянная, кДж/(моль . К).

Показатель текучести расплава является более чувстви-

тельной к изменению молекулярной массы полимера характе-

ристикой, чем относительная вязкость раствора того же поли-

мера.

Кроме того, многие полимеры растворимы только при

повышенной температуре, что усложняет проведение

опытов.

18

РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ТЕКУЧЕСТИ

РАСПЛАВА ТЕРМОПЛАСТОВ

1.Цель работы:

Освоение методики определения показателя расплава термопластов (ПТР).

2.Материалы и оборудование:

Термопласты в гранулированном или порошкообразном виде.

Прибор ИИРТ, стандартный капилляр с диаметром отверстия 2 мм, внешним диаметром 9,48 мм, длиной 8 мм. 3.Прядок выполнения работы:

3.1.Изучите устройство прибора ИИРТ, нарисуйте его схему с указанием основных узлов, изучите инструкцию по технике безопасности работы на приборе.

3.2.В соответствии с описанием прибора подготовьте его к работе.

3.3.По Приложению 1 определите условия определения ПТР для анализируемого материала.

3.4.Ртутным термометром определите соответствие темпе-

ратуры рабочего цилиндра заданной.

ВНИМАНИЕ!ПРЕЖДЕ, ЧЕМУСТАНОВИТЬ ТЕРМОМЕТР В КАМЕРУ ПРИБОРА, УБЕДИТЕСЬ, ЧТО КАПИЛЛЯР УСТАНОВЛЕН В НЕЙ И ЗАКРЕПЛЕН.

35

Библиографический список к лабораторной работе №1.

1.Основы технологии переработки пластмасс./Под ред. В.Н.

Кулезнева и В.К. Гусева – Учебник для Вузов, изд.2-е, М.:

Химия, 2006.- 600с. (с.331-335, 383-384).

2.Калинчев Э.Л., Саковцева М.Б. Свойства и переработка термопластов: Справочное пособие. Л.: Химия,1983. - 288 с. (С.23-90).

3.Шрам Г. Основы практической реологии и реометрии

/Пер. с англ. И.А. Лавыгина; Под ред.В.Г. Куличихина – М.:

КолосС, 2003. – С. 19-40, 91-106, 157-166, 226 - 244.

4. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров:

Учебник для вузов. М.: Высшая шк., 1988. - С.156 –171.

5.Малкин А.Я, Чалых А. Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы определения. – М.: Химия ,1979.- 304 с. (С. 12-29).

6.Теплофизические и реологические характеристики полимеров: Справочник /Под общ. ред. Ю. С. Липатова. -

Киев: Наукова думка, 1977. - 324 с.

34

1.3. ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ РАСПЛАВОВ

ТЕРМОПЛАСТОВ

Термостабильность расплавов термопластов опреде-

ляется реологическим методом. Термостабильность характе-

ризуют временем термостабильности, равном времени про-

грева материала при постоянной температуре, за которое вязкость расплава изменяется на 15 % (рисунок 11)

Рисунок 11 – Зависимость вязкости расплава термопласта от времени прогрева.

Термоокислительная деструкция термопластов в тем-

пературных интервалах переработки данного полимера со-

провождается изменением молекулярной массы, что приво-

дит к изменению вязкости.

Взависимости от соотношения процессов деструкции

иструктурирования (за счет образования поперечных связей или дополнительной поликонденсации) вязкость расплава

19

снижается или возрастает с увеличением длительности про-

грева.

Изменение вязкости расплава при определении време-

ни термостабильности может быть оценено

по изменению массового расхода расплава (г/с) через капилляр – весовой метод,

по изменению объемного расхода (см3/с) – объемный

метод,

или по изменению времени истечения постоянного объема расплава (с) через капилляр.

Массовый расход определяется взвешиванием экструда-

тов, срезаемых через определенные промежутки времени (за

15-30 с).

Объемный расход оценивается с помощью индикатора часового типа по перемещению поршня на заданное расстоя-

ние через равные промежутки времени.

При определении времени истечения постоянного объема расплава за постоянный объем принимается объем расплава,

вытекающий через капилляр при опускании поршня от нижней до верхней метки на хвостовике поршня.

Все замеры (масса экструдатов, перемещение поршня в единицу времени, время перемещения поршня на заданное

20

Вопросы для подготовки к лабораторной работе №1

1.Каковы основные отличия течения расплавов полимеров от течения низкомолекулярных жидкостей?

2.Приведите характерные кривые течения для ньютоновс-

кой, дилатантной и псевдопластичной жидкостей. Какая жидкость называется псевдопластичной, какая дилатантной? 3. Запишите уравнения, описывающие течение ньютоновс-

кой и неньтоновской жидкостей. В чем состоит физический смысл входящих в них параметров?

4.Каковы причины возникновения входовых потерь давле-

ния при течении расплавов полимеров в капиллярном виско-

зиметре и как они определяются? Как учитываются потери давления при расчете вязкости расплава?

5. Как изменится вязкость расплава полимера при изменении температуры опыта, молекулярной массы полимера, молеку-

лярно-массового распределения, при введении пластификато-

ров, наполнителей?

6. В чем заключается аномалия вязкости полимерных раст-

воров и расплавов? Каковы ее причины?

7.Какое явление носит название «срыв струи»?

8.Каково практическое применение данных о реологических свойствах полимерных расплавов?

33