«реотест-2» (стр. 2 из 4)
1 – псевдопластик; 2 – ньютоновская жидкость; 3 – дилатантное тело
Рисунок 1.4 – Зависимость вязкости от напряжения сдвига (τ)
(или градиента скорости сдвига (γ))
При очень высоких скоростях деформирования (γ=10…103 с-1), когда структура разрушена, вязкость перестает зависеть от ε (минимальной ньютоновской вязкости). Такие материалы называют псевдопластиками, а вязкость, зависящую от γ (или τ) называют эффективной, или структурной, вязкостью. Взаимосвязь между напряжением и относительной скоростью деформирования для псевдопластиков описывается уравнением Оствальда-де-Вила
,
где k – показатель консистенции, пропорциональный вязкости;
n – индекс течения, показывающий степень отклонения поведения материала от ньютоновской жидкости.
Для псевдопластиков 0<n<1, для ньютоновских жидкостей n=1. Если n>1, то материал является дилатантным телом, для которого вязкость тем больше, чем интенсивнее скорость деформирования. Примером дилатантного тела служит мокрый песок или высоконаполненная суспензия на основе очень разбавленных низковязких полимеров. В процессе приложения к ним напряжений жидкая прослойка выдавливается и частицы наполнителя (песка) сцепляются друг с другом, повышая вязкость системы. Для таких материалов характерно проявление реопексии – способности к упрочнению структуры при малых напряжениях сдвига и к лавинообразному разрушению ее при некоторых предельно высоких напряжениях.
Наполненные полимерные композиции, в частности, топливные массы, как правило, представляют собой псевдопластики. Кроме того, для высоконаполненных полимерных систем возможно наличие предела текучести (или предельного напряжения сдвига), характеризующего прочность структуры. Это свойство характерно для тела Сен-Венана, которое моделируется бруском, лежащим на поверхности, например, стола (рисунок 1.5). К бруску с помощью нити, перекинутой через блок, и груза (Р) прикладывается постепенно возрастающее напряжение сдвига. Из-за сил трения между бруском и поверхностью перемещение его начнется только после того, как приложенное напряжение превысит предельное напряжение сдвига.
Рисунок 1.5 – Модель тела Сен-Венана
Отличительные особенности внутренней структуры материала могут быть представлены в виде уравнений течения или кривых течения (рисунок 1.6).
1 – псевдопластик; 2 – ньютоновская жидкость;
3 – дилатантное тело; 4 – тело Сен-Венана; 5 – псевдопластик,
обладающий пределом текучести (тело Бингама)
Рисунок 1.6 – Кривые течения
Для тела Сен-Венана закон течения
,для псевдопластика, имеющего предел текучести:
,где τ0 – предел текучести, или предельное напряжение сдвига, ниже которого течения материала нет.
Наполненные полимерные композиции относятся к коагуляционным тиксотропнообратимым системам. Тиксотропия – свойство материала повышать вязкость (загущаться) в состоянии покоя, а при деформировании уменьшать вязкость (вязкостная тиксотропия) или прочность структуры (прочностная тиксотропия).
Наблюдать тиксотропию можно, например, испытывая материал на реотесте в режиме γ = const. Для материала, обладающего прочностной тиксотропией, характерно наличие на начальном участке кривой изменения во времени (рисунок 1.7) пика напряжения (кривая 1).
Если материал обладает вязкостной тиксотропией, то после интенсивного деформирования кривая 2 (см. рисунок 1.7) изменения напряжения во времени при том же градиенте скорости сдвига располагается существенно ниже, то есть и вязкость его меньше, чем для «отдохнувшего» материала (кривая 1).
1 – кривая для «отдохнувшего» материала;
2 – кривая для деформированного материала
Рисунок 1.7 – Изменения напряжения сдвига (τ) во времени
при γ = const
В технологии переработки полимерных композиций следствием тиксотропии являются высокие пусковые нагрузки на двигатели. Положительное влияние тиксотропии, например, в том, что лаки и краски не стекают с вертикальных поверхностей при ничтожно малых нагрузках (практически в состоянии покоя), а в размешанном состоянии они довольно жидкие и могут разбрызгиваться форсункой.
Таким образом, реологическую характеристику полимера или композиции на его основе нельзя дать одним показателем. Желательно получить его кривую течения или зависимости вязкости от градиента скорости сдвига. Для этого существует множество реологических приборов. Все их можно в основном разделить на ротационные, шариковые и капиллярные.
Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на истечении материалов через капилляр. При этом градиент скорости сдвига рассчитывают по формуле
,где Q – секундный объемный расход материала, м3;
r – радиус капилляра, м.
В заводских лабораториях для экспресс-испытаний на вязкость материала наибольшее распространение получили шариковые приборы: вискозиметр, реовискозиметр или консистометр Гепплера.
Для научных исследований широко применяются ротационные вискозиметры, позволяющие получать кривые течения в широком
диапазоне τ и γ. По форме измерительных поверхностей ротацион-
ные вискозиметры делятся на «диск–диск», «диск–конус», «цилиндр–цилиндр» и др. Испытуемый материал находится в зазоре между измерительными поверхностями, одна из которых вращается с заданной скоростью. Для вискозиметра «Реотест-2» диапазон γ составляет от 0,16 до 1,300 с-1, напряжений сдвига от 16 до 3000 Па.
2 ПЕРЕЧЕНЬ ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИБОРОВ,
ПРИСПОСОБЛЕНИЙ И МАТЕРИАЛОВ
1. Вискозиметр.
2. Измерительная часть.
3. Термостат (И-5, И-10 или ТС-16), обеспечивающий поддержание температуры с точностью до 1°С.
4. Термометр с диапазоном температур от 0 до 100 °С.
5. Стакан фарфоровый.
6. Пленка полиэтиленовая.
7. Вата техническая.
3 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ВИСКОЗИМЕТРА
«Реотест-2» (рисунок 3.1) состоит из вискозиметра и измерительной части. Вискозиметр включает в себя: привод, измерительный орган с цилиндрическим измерительным устройством. В основании прибора смонтирован асинхронный двигатель, имеющий два диапазона работы 750 и 1500 об/мин.
3.1 Привод
Привод включает в себя асинхронный двигатель 2 с переключаемыми полюсами, смонтированный на основании 1, двенадцатиступен-чатую коробку скоростей 21 и мост передаточного механизма 3. Коро-бка передач может обеспечивать в общей сложности двенадцать различных скоростей, измеряемых с градационным фактором, равным 3.
Установка требуемого числа оборотов осуществляется поворотом рукоятки 17 по часовой стрелке, а показания об установленной передаче снимают со шкалы 15. Для переключения от первой до двенадцатой передачи необходимо сделать 2,5 оборота рукоятки.
1 – основание прибора; 2 – асинхронный двигатель;
3 – передаточный механизм; 4 – динамометр;
5 – измерительный вал; 6 – измерительный орган;
7 – приводный вал; 8 – переключатель диапазонов;
9 – гильза; 10 – затяжной рычаг; 11 – муфта; 12 – затяжной рычаг;
13 – внутренний цилиндр; 14 – внешний цилиндр; 15 – шкала;
16 – исследуемый состав; 17 – рукоятка коробки передач;
18 – вставка; 19 – запорная крышка; 20 – баня термостата;
21 – коробка передач; 22 – нуль пункт, 23 – стрелка;
24 – измерительный прибор; 25 – нуль компенсации
Рисунок 3.1 – Ротационный вискозиметр «Реотест-2»
3.2 Измерительное устройство
Измерительный орган 6 является механически-электрическим преобразователем крутящего момента. Для измерения действующего момента вращающегося измерительного цилиндра необходимо замерять отношение вращения измерительного вала 5 к приводному валу 7 против действия двухступенчатого динамометра 4. Инструментальный потенциометр, действующий с динамометром, соединенным мостом сопротивления, снимает это относительное вращение, причем действующий сигнал вращения преобразуется в пропорциональный сигнал тока.
Переключатель диапазонов 8 динамометра позволяет осуществлять регулировку касательного напряжения в области соотношением 1:10. Переключение диапазонов можно осуществлять изменением режима вращения измерительного вала 5. Для этого необходимо перевести переключатель диапазонов 8 для области I – влево, для области II – вправо до упора.
«Реотест-2» является ротационным вискозиметром и может быть применен как для определения динамической вязкости, так и для исследования зависимости вязкости от скорости деформации (эффективной вязкости).