Pobierz

LABORATORIUM „REOLOGICZNE PODSTAWY TECHNOLOGII POLIMERÓW”
ĆWICZENIE NR 3
WŁAŚCIWOŚCI REOLOGICZNE POLIMERÓW
(OZNACZANIE KRZYWEJ PŁYNIĘCIA)
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywej płynięcia dla dwóch różnych elastomerów (NR
oraz SBR) przy użyciu mikromieszarki firmy Brabender.
2. Wstęp teoretyczny:
Reologia- jest nauką o właściwościach mechanicznych materiałów rzeczywistych.
Właściwości te są określane przez związki między oddziaływaniami zewnętrznymi (siłami
obciążającymi ciało) a wewnętrznymi reakcjami materiału (odkształceniami ciała). Innymi
słowy reologia zajmuje się zagadnieniami związanymi z odkształceniami i płynięciem
materiałów.
Polimery są materiałami, które wykazują złożone właściwości ciał stałych i cieczy w
skali czasu. Właściwości te ujawniają się praktycznie m.in. w procesach przetwórstwa
polimerów.
Właściwości reologiczne kauczuku czy mieszanek kauczukowych mają istotne
znaczenie dla określania parametrów przetwórstwa w przemyśle gumowym, jak
uplastycznianie, sporządzanie mieszanek kauczukowych, wytłaczanie, kalandrowanie,
napełnianie form metodą prasowania, przetłaczania czy wtrysku.
Płynięcie cieczy polega na przemieszczaniu jej cząstek pod wpływem przyłożonych
sił. Siłą przeciwstawiającą się ruchowi cieczy jest tarcie wewnętrzne, tym większe, im
większa jest szybkość wzajemnego przemieszczania cząstek.
Prawo Newtona wyraża liniową zależność między naprężeniem stycznym a
szybkością ścinania. Obowiązuje ona dla wielu płynów min.: dla powietrza (i w zasadzie
wszystkich gazów), wody, benzyny, ciekłych metali. Ogólnie można stwierdzić, że ta
zależność jest słuszna dla wszystkich gazów oraz cieczy i roztworów o małej masie
cząsteczkowej. Wykres zależności τ=f(γ) nazwano krzywą płynięcia. W przypadku płynu
newtonowskiego zależność ta jest prostoliniowa, przechodząca przez początek układu
współrzędnych. Istnieje jednak wiele płynów, które nie wykazują takiej prostoliniowej
zależności między naprężeniem stycznym a szybkością ścinania np.: stopione polimery, farby,
lakiery, materiały budowlane (glina asfalt), żywność (sery, dżemy, czekolada). Układy tego
typu nazywane są płynami nienewtonowskimi. Możemy podzielić je na dwie grupy:
- płyny które nie mają granicy płynięcia, dla których krzywa płynięcia przechodzi przez
początek układu współrzędnych ale nie jest linią prostą (np. stopione polimery)
- płyny które mają granicę płynięcia, które płyną dopiero po przekroczeniu pewnego
granicznego naprężenia τ0 a przy naprężeniach mniejszych zachowują się jak sprężyste ciała
stałe. (np. zawiesiny polimerów, farby i lakiery, glina, asfalt)
Płyny należące do pierwszej grupy można podzielić na dwa typy:
- płyny rozrzedzane ścinaniem, dla których naprężenie styczne rośnie wolniej niż liniowo
wraz ze zwiększeniem się szybkości ścinania.
- płyny zagęszczane ścinaniem, dla których naprężenie styczne rośnie szybciej niż liniowo, ze
zwiększeniem się szybkości ścinania.
τ
5
4
6
2
τ0
1
3
γ
Krzywe płynięcia płynów nienewtonowskich:
1,2,3- płyny, które nie mają granicy płynięcia
1- newtonowski
2- rozrzedzany ścinaniem
3- zagęszczany ścinaniem
4,5,6- płyny, które mają granicę płynięcia τ0
4- Binghama
5- rozrzedzany ścinaniem
6- zagęszczany ścinaniem
Lepkość niektórych- stosunkowo rzadko spotykanych- układów polimerowych zależy też od
czasu odkształcenia. Są to tzw. płyny reologicznie niestabilne, tiksotropowe lub
antytiksotropowe. Zjawisko tiksotropii polega na tym, że w warunkach izotermicznego
przepływu płynu, który uprzednio znajdował się dłuższy czas w spoczynku, przy stałej
szybkości ścinania, naprężenie styczne maleje odwracalnie z upływem czasu. Natomiast
zjawisko antytiksotropii charakteryzuje się tym, że w tych samych warunkach naprężenie
styczne zwiększa się odwracalnie z upływem czasu. Tak więc, lepkość płynów
tiksotropowych maleje z upływem czasu, natomiast płynów antytiksotropowych zwiększa się.
Charakterystyczną pętlę histerezy (rys. 2.16.) dla układu tiksotropowego można otrzymać
dokonując pomiaru zależności naprężenia stycznego od szybkości ścinania. Wykonuje się to
stale zwiększając szybkość ścinania od zera do pewnej wartości maksymalnej i natychmiast
po jej osiągnięciu, zmniejszając szybkość ścinania do zera. W wyniku przeprowadzenia
podobnego pomiaru dla układów antytiksotropowych powstaje także histereza krzywej
płynięcia, jednak jej przebieg będzie odmienny.
Zjawisko tiksotropii jest związane ze zjawiskiem rozrzedzania ścinaniem, natomiast
antytiksotropii ze zjawiskiem zagęszczania ścinaniem. Różnica polega na tym, że w
przypadku płynów reologicznie niestabilnych osiąganie charakterystycznego dla danej
szybkości ścinania stanu równowagi reologicznej (ustalenia się lepkości) zachodzi bardzo
wolno, tak że nie można tego śledzić za pomocą dostępnych przyrządów.
Polimery są w większości ciałami lepkosprężystymi, jednak wiele praktycznych zagadnień
przetwórstwa tworzyw można rozwiązać traktując je jako ciała czysto lepkie, przy czym
oczywiście nienewtonowskie i zazwyczaj rozrzedzane ścinaniem. Ciecze nienewtonowskie
(czysto lepkie), których lepkość jest funkcją szybkości ścinania nazwano uogólnionymi
cieczami newtonowskimi. Uogólnione prawo Newtona: τ = ηγ gdzie η =const.
Model potęgowy Ostwalda-de Waele
Jednym z podstawowych modeli empirycznych jest model potęgowy Ostwalda-De Waele.
Podstawą do opracowania tego modelu był fakt, że dla wielu tworzyw, w szerokim zakresie
szybkości ścinania, w układzie podwójnie logarytmicznym, występuje liniowa zależność
lepkości od szybkości ścinania. Najprostszym matematycznym modelem reologicznym,
opisującym krzywą płynięcia płynów w zakresie pośrednich szybkości ścinania jest poniższe
równanie:
τ = kγn
gdzie:
τ – naprężenie styczne
k- współczynnik konsystencji
n- wykładnik płynięcia
Lepkość można wyrazić natomiast następującym wzorem:
η=kγn-1
Model potęgowy Ostwalda-de Waele jest najprostszym modelem reologicznym uogólnionej
cieczy newtonowskiej. Istotną jego wadą jest jego sprzeczność z wynikami badań
reologicznych, przy bardzo małych i bardzo dużych szybkościach ścinania:
η∞ dla γ0
η0 dla γ∞
Lepkosprężystość oznacza jednocześnie występowanie właściwości lepkich i sprężystych.
Właściwości
lepkie
są
związane
z
występowaniem
odkształceń
nieodwracalnych
(przepływem), których stopień - pod działaniem siły - ciągle zwiększa się z upływem czasu.
Lepkość jest miarą oporów stawianych przez materiał podczas przepływu. Właściwości
sprężyste są związane z występowaniem odkształceń sprężystych (odwracalnych), które
zanikają samorzutnie, natychmiast po ustaniu działania siły. Ogólnie można stwierdzić, że im
szybsze jest odkształcenie tym materiał zachowuje się bardziej sprężyście, a im odkształcenie
jest wolniejsze, tym materiał jest bardziej lepki.
Właściwości lepkosprężyste polimerów ujawniają się i można je obserwować w wielu
charakterystycznych zjawiskach:
Efekt Weissenberga
Polega na nietypowym kształtowaniu się powierzchni swobodnej cieczy w przepływie
Couette’a. Jest to przepływ ścinający między dwoma współosiowymi cylindrami, z których
jeden wykonuje ruch obrotowy. Podczas takiego przepływu obserwuje się w przypadku
stopionych polimerów (rys.3.1.a), charakterystyczne podnoszenie powierzchni swobodnej
przy obracającym się cylindrze wewnętrznym. To zjawisko pojawia się również np.: przy
mieszaniu farb czy lakierów. Natomiast nie występuje w przypadku cieczy newtonowskiej,
kiedy to powierzchnia swobodna – przy pominięciu sił bezwładności- pozostaje płaska
(rys.3.1.b). Efekt Weissenberga jest wynikiem generowania podczas przepływu ścinającego
dodatkowych naprężeń, a mianowicie naprężeń normalnych. Widać to wyraźnie na rys. 3.2. ,
na którym przedstawiono przepływ ścinający między równoległymi tarczami i towarzyszące
temu przepływowi zjawisko nierównomiernego kształtowania się wysokości słupa cieczy w
rurkach manometrycznych, dołączonych do jednej z tych tarcz.
Efekt Barusa
Polega na rozszerzaniu się strugi cieczy wypływającej z kapilary. Charakteryzowany jest on
zwykle stosunkiem średnicy strugi d do średnicy kapilary D, czyli tzw. stopniem rozszerzenia
B=d/D.
Efekt Barusa (podobnie jak Weissenberga) jest w znacznym stopniu związany z
występowaniem przy przepływie ścinającym niezerowych różnic naprężeń normalnych N1 i
N2, czyli jest tzw. efektem naprężeń normalnych. Źródłem naprężeń normalnych są
odkształcenia kłębków makrocząsteczek w czasie płynięcia. W polimerze stopionym kłębki
przyjmują rozmiary niezakłócone i przenikają się wzajemnie, powstają splątania łańcuchów.
Podczas przepływu kłębki ulegają rozciągnięciu w kierunku ruchu i skurczeniu w kierunku
prostopadłym. Po opuszczeniu ustnika siły normalne powodują rozszerzenie strugi, a
równoległe kurczenie.
Efekty czasowe (statyczne i dynamiczne)
Odnoszą się do występowania zależności czasowej naprężenia i odkształcenia materiałów.
Mogą się one pojawić w warunkach statycznych lub dynamicznych.
 Statyczne efekty czasowe - obejmują zjawiska zmiany z upływem czasu naprężenia
materiału, przy stałym odkształceniu (relaksacja naprężeń) lub zmiany odkształcenia
przy stałym naprężeniu (pełzanie odkształceń).
 Dynamiczne efekty czasowe - powstają przy dynamicznych (oscylacyjnych)
obciążeniach (lub odkształceniach) materiału i polegają na występowaniu czasowej
różnicy między obciążeniem i odkształceniem.
Miarą lepkosprężystego zachowania się materiału w danym procesie przetwórczym jest
stosunek czasu charakterystycznego materiału do czasu charakterystycznego tego procesu
(czasu trwania). Określa to tzw. liczba Debory
De=λ/tp
gdzie: De - liczba Debory; λ – czas charakterystyczny materiału; tp – czas charakterystyczny
procesu.
Typowy polimer, którego czas charakterystyczny jest równy 1 s (λ = 1 s), będzie zachowywał
się w procesie przetwórczym w różny sposób, w zależności od tego jak długo będzie trwał
proces. Przy bardzo długim czasie charakterystycznym procesu (tp ∞), liczba Debory
będzie dążyła do zera (De0) i materiał będzie zachowywał się jak lepka ciecz. Natomiast
przy bardzo krótkim czasie procesu (tp 0) liczba Debory będzie bardzo duża (De ∞) i ten
sam materiał będzie zachowywał się jak sprężyste ciało stałe.
Czas charakterystyczny wielu przepływów w przetwórstwie tworzyw wynosi 0,1 – 1 s, co
oznacza, że dla λ = 1 s De = 1 – 10. Tak więc polimery wykazują w procesach przetwórczych
zarówno właściwości lepkie, jak i sprężyste, a więc są lepkosprężyste.
3. Zasada działania i budowa urządzenia:
Aparatura składa się z następujących części składowych
stacja dokująca (zespół napędowy)
mikromieszarka
termostat
komputer PC z oprogramowaniem
Mikromieszarka składa się z:
komory mieszania
rotorów o zróżnicowanej geometrii typu Cam
leja zasypowego
tłoka dociskowego
czujnika temperatury masy
czujnika temperatury komory
Komora mikromieszarki jest ogrzewana olejem silikonowym podawanym z termostatu.
Urządzenie kontrolno pomiarowe wraz ze specjalistycznym oprogramowaniem umożliwia
monitorowanie następujących parametrów: moment obrotowy, temperatura masy oraz
temperatura komory. Zespół napędowy Lab-Station pozwala na płynną regulację prędkości
obrotowej rotorów (od 0 do 275 obr/min)
4. Wykonanie pomiaru:
1. Włączyć stację główną Lab-Station
2. Włączyć mikromieszarkę
3. Włączyć termostat.
4. Włączyć komputer
5. Włączyć program „WinMix”
6. Ustalić temperaturę w programie „WinMix” (T= 1000C)
7. Po ustaleniu się temperatury należy ustawić żądaną liczbę obrotów (100 obr/min)
8. Stopniowo wprowadzać próbkę kauczuku (m~60g) do komory mieszania.
9. Po wstępnym czasie uplastyczniania (t=10min) przystępujemy do pomiaru.
10. Odczytać wartości momentów obrotowych przy różnych szybkościach obrotowych
rotora, przy v= 5,10,15, 20,30,45,60,75,100 obr/min. Jako wynik przyjąć wartość
momentu obrotowego po 2 min pomiaru.
11. Po zakończeniu badania należy wyczyścić aparat (komorę mieszania, rotory oraz tłok
dociskowy). Czynności te należy przeprowadzić przy użyciu narzędzi wykonanych z
mosiądzu.
5. Opracowanie wyników badań.
Należy obliczyć następujące wielkości ze wzorów:
40,8 M
36
M
v
1,14 v
gdzie:
τ- naprężenie ścinające [Pa]
η- lepkość pozorna [Pas]
γ- szybkość ścinania [s-1]
M- moment obrotowy [Nm]
v- liczba obrotów rotora [obr/s]
Następnie należy sporządzić wykres zależności τ=f(γ) i określić do jakiej kategorii
reologicznej należy badany polimer. Sprawdzić czy własności reologiczne badanego polimeru
można
opisać
równaniem
Ostwalda-de
Waele,
sporządzając
wykres
zależności
ln τ = f(ln γ)-krzywa płynięcia.
Następnie sporządzić wykres zależności ln η = f(ln γ)- krzywa lepkości. Z wykresu
zależności ln η=f(ln γ) wyznaczyć parametry reologiczne równania τ = kγn
n – wykładnik płynięcia (miara nienewtonowskiego zachowania się płynu), k-współczynnik
konsystencji (miara lepkości analizowanego materiału):
n=1+a
k=eb
a - współczynnik kierunkowy funkcji ln η=f(ln γ)
b – wyraz wolny funkcji ln η=f(ln γ)
e - liczba Eulera ~ 2,72
Należy pamiętać, że dokładna ocena przebiegu krzywych płynięcia i lepkości, stanowi jedno z
podstawowych źródeł informacji na temat przetwarzalności tworzyw polimerowych.
6. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać wstęp teoretyczny, sposób wykonania ćwiczenia, opis
budowy urządzenia, wyniki pomiarów, wnioski