Властивості полімерів як неньютонівських (аномально в`язких) рідин

Розглянемо область полімерів – крупнотонажні термопласти: PE, PP, PS, ABS (аморфні), PVC (аморфні <10%), PET (поліетилентерфталат пляшечний).

Особливість полімерів у їх хімічній будові, - а саме молекули мають надвелику довжину, зорієнтовані у просторі у вигляді лінії, спіралі, клубка, розгалужень. Крім того, молекула має активні дільниці, які взаємодіють з іншими дільницями молекули та дільницями інших молекул, утворюючи надмолекулярні угрупування – кристали, які мають назву сфероліти. Сфероліти мають впорядковану, більш компактну кристалічну решітку за рахунок взаємодії між молекулами полімеру, відповідно більшу щільність. Візуально процес утворення сферолітів у полімері проявляється у замутнені полімеру. Малий розмір сферолітів робить вироби прозорими, - наприклад швидке охолодження плівки PP – кристали малих розмірів, - плівка прозора як вода (процес “калки”). Якщо таку плівку в холодному стані розтягувати – молекули орієнтуються і їх активні дільниці взаємодіють між собою з утворенням сферолітів за розміром більших, ніж довжина світлової хвилі, - плівка стає мутною, непрозорою. Від ступеня кристалічності залежить усадка полімеру при охолодженні.

За нагріву аморфного термопласта вище температури склування, а кристалічного термопластичного полімеру – вище температури плавлення він отримує здатність до в`язкої течії, тобто, до великих значень пластичної деформації. Природа полімеру, а саме – значна довжина молекул, їх просторова конфігурація, хімічні зв`язки між ними додають до взаємного відносного руху молекул при пластичній деформації пружну деформацію (випрямлення молекули в лінію) та високо еластичну деформацію (пов`язана з зміною взаємодії між молекулами при їх випрямленні). Пластична деформація полімеру викликає зміну орієнтації молекул, а саме, їх випрямлення вздовж ліній потока, при цьому змінюється кількісно взаємодія між активними ділянками молекул.

Приклад. Поліетилен високого тиску має хімічну формулу (С₂Н₄)_n LDPE – середньо вагова молекулярна вага 80.000-500.000, ступінь кристалічності – 50-60% (920 кг/м³), s₀=32 МПа. HDPE - середньо вагова молекулярна вага 80.000-3000.000, ступінь кристалічності – 75-85% (960 кг/м³), s₀=100 МПа. Поліетиленовий віск - середньо вагова молекулярна вага 70-500, кришиться у руках.

0,1мм – 10⁶ атомів, за ширини біля 3 ангстрем (10^-10м) рельс 10 см – 10 км.

Існує деструкція полімеру у розтопі за критичних значень швидкості зсуву, - механодеструкція. Існує механокристалізація полімеру у розтопі за рахунок взаємодії витягнутих молекул за критичних значень швидкості зсуву. Деструкція термопласта – зменшення середньо вагової молекулярної ваги, - розрив молекул. За зменшенням середньої довжини молекул полімер втрачає механічні властивості, стає більш рідким, тобто наближається до природи рідини. Фактично полімер має молекули з різною довжиною – вагою молекул.

Середньо вагова молекулярна вага (ступінь полімеризації) – середньо статистичне значення відносної молекулярної ваги макромолекул, що складають полімер. Іншими словами – це середньостатистична кількість молекул мономера у макромолекулах полімеру. Молекулярно-масовий розподіл (ММР) – співвідношення кількості макромолекул n_i різної молекулярної ваги M_i.

Диференційна числова функція ММР r_n(M) дорівнює відношенню числової долі макромолекул (dn), які мають молекулярну вагу в інтервалі від M до M+dM до значення цього інтервалу (dM): r_n(M)=dn/dM. Використовується для формальної оцінки якості полімера – максимальне значення 1.

Реологія – наука про текучість і деформацію суцільних середовищ. Реологічний стан н`ютонівської рідини за умови одномірної зсувної течії можна описати рівнянням:

Для аномально в`язких рідин використовується формальне значення ефективної в`язкості:

Класифікація аномалій: 1. Бінгамовська рідина t_кр суспензії; 2. Псевдо пластичні рідини (малі взаємодії між молекулами, і їх орієнтація викликає полегшення взаємного руху макромолекул); 3. Ділатантні рідини.

Загальноприйнятною аналітичною залежністю ефективної в`язкості від інтенсивності деформування та температури є залежність, отримана з використанням рівняння Ареніуса:

Реологічна залежність таким чином приймає форму рівняння Нав`є-Стокса.

Більшість полімерних матеріалів досліджена і визначені їх реологічні залежності. Сучасні пластичні маси мають в своєму складі різні домішки:

1. Економічні (каолін, пісок, крейда, дерев`яне борошно, спінючі)

2. Добавки для полегшення переробки (процесінгові) (внутрішнє тертя та зовнішнє)

3. Добавки для отримання необхідних споживчих властивостей виробу (термостабілізатори, УФ стабілізатори, антистатики, антипірени, анти сліп добавки (СВМП), скользящі, антиблокуючі, нуклеатори, спінючи (смужка на паковку квітів), концентрати пігментів фарби, електропроводні, ін.) в основному у вигляді суперконцентратов.

Будь які добавки мають бути висушені та дисперговані, ступінь помелу визначається необхідною мінімальною шорсткістю поверхні та умовою нестикання часток наповнювача між собою.

Якщо чисті полімерні матеріали досліджені на реологічні та теплофізичні властивості, то використання їх композиції вимагає експериментальних досліджень. Для експериментального визначення ефективної в`язкості використовують віскозиметри: капілярний або ротаційний. У міжнародній класифікації полімерів основним параметром полімеру є показник плинності матеріалу (ПТР ГОСТ 11645-65, або MFR) він дорівнює вазі розтопу матеріалу в грамах, який видавлюється через сопло визначених довжини та діаметра за 10 хвилин при стандартній температурі та тиску. Для HDPE довжина сопла 8 мм, діаметр 2,095 мм, діаметр камери перед соплом 9,54 мм, вага на поршень що утворює тиск 2,16 кг, температура 190°С.

Физические свойства Borealis RA — E 130

Свойство	Единицы	Метод проверки	Значение
Плотность	(+23°С) гр/см3	ISO 1183	0,897
Показатель MFR 190/5 текучести MFR 230/2,16 расплава MFR 230/5	гр./10 min гр./10 min гр./10 min	ISO 1183 ISO 1183 ISO 1183	0,55 0,30 1,30
Индекс MVR 230/2,16 объемного потока MVR 230/5	см3/10 min см3/10 min	ISO 1183	0,4 1,75
Предел текучести при растяжении (50 mm/min)	МРа	ISO 527/1+2
Относительное удлинение в точки текучести (50 mm/min)	%	ISO 527/1+2
Модуль упругости при растяжении (секущая)	МРа	ISO 527/1+2
Определение твердости вдавливанием шарика (132 N/30s)	N/mm2	ISO 2039/1
Твердость по Шору D	(3-сек. значение)	DIN 53505
Ударная +23 по Шарпи 0°C без разреза –30°С	КДж/м2 КДж/м2 КДж/м2	ISO 179/1 eU ISO 179/1 eU ISO 179/1 eU	Без разлома Без разлома 43
Ударная +23 по Шарпи 0°C без разреза –30°С	КДж/м2 КДж/м2 КДж/м2	ISO 179/1 eA ISO 179/1 eA ISO 179/1 eA	22 4,0 2,5
Температура VST/A/50 размягчения по Вика VST/B/50	°С °С	ISO 306 ISO 306	132 69
Температура HDT A остаточной деформации HDT B	°С °С	ISO 75/1+2 ISO 75/1+2	49 70
Температура расплавления	°С	DSC	145-150
Коэффициент линейного теплового расши- рения (средний, 20-90°С)	1К	DIN 53752	1,5*10-4
Теплопроводность	Вт/м°С	DIN 52612	0,24

Отримати реологічну залежність полімерного матеріалу можливо на лабораторному віскозиметрі, або моделюючи переробку на існуючому устаткуванні і виконуючі необхідні розрахунки.

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:

Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,

R – радиус капилляра вискозиметра, м
L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м
η – вязкость жидкости, Па·с,
р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Сучасне обладнання автоматично розраховує реологічні характеристики сировини при роботі, і навіть лімітує параметри сировини (вміст крейди на оконний профіль не може перевищувати 8%)

ПВХ 1,35-1,46 гр/см³.

КОНСТАНТА ФІКЕНТЧЕРА - це значення, яке вказано у марці ПВХ цифрами і характеризує його молекулярну вагу, - в`язкість розчину ПВХ у циклогексанові (ИСО1628). Для виробництва вікон 67-72.

Режим течії розтопів полімерів завжди ламінарний, але не завжди виконуються умови пристінного шару, тобто при значних напруженнях зсуву та незначному гідростатичному тиску:

D – характерний розмір канала, м

L –відстань від краю інструмента

Якість екструдата погіршується, проявляються коливання тиску та розходу

Дата добавления: 2014-01-04