В’язкість полімерів. Методи визначення в’язкості
План лекції
1. В’язкість полімерів.
2. Методи визначення в’язкості.
2.1. Характеристична в’язкість.
2.2. Дослідження характеристичної в’язкості.
3. Реологічні випробування пластмас.
3.1. Віскозиметрія полімерів.
3.2. Капілярна віскозиметрія.
3.2.1.Капілярний віскозиметр постійного тиску КВПД.
3.2.2. Мікровіскозиметр МВ-2.
3.2.3. Капілярний віскозиметр Убелоде.
1. В’язкість полімерів.
В’язкість полімерів – властивість полімерних систем, які знаходяться у в’язкотекучому стані, чинити опір незворотній зміні форми зразка. Під в’язкістю розуміють коефіцієнт пропорційності між напруженням τ та швидкістю деформації γ в режимі стаціонарної течії, тобто η = τ/γ. Це визначення використовують коли:
η = const і не залежить від умов деформації, тобто від τ або γ;
η залежить від γ;
для перехідних режимів деформації, коли інерційними ефектами можна знехтувати і з повної швидкості деформації віднімається швидкість розвитку високоеластичної деформації.
2. Методи визначення в’язкості.
Більшість експериментальних методів вимірювання η зводиться до незалежного визначення в дослідах τ та γ. Найпростіше це здійснюється при течіях через капіляр або в ротаційних пристроях. Для полімерних систем типові значення η від десятих долей Н·сек/м2 для дуже розбавлених розчинів полімерів в низькомолекулярних рідинах до 1012 Н·сек/м2 для полімерів, які переходять у склоподібний стан. В’язкість типових розплавів полімерів, які зустрічаються на практиці їх переробки у вироби, лежить в межах від десятків Н·сек/м2 для поліамідів, поліетилентерефталата та ін. до 1-100 кН·сек/м2 для ПЕ, ПП, ПС і, навіть, до 100 МН·сек/м2 для незшитих каучуків.
В сучасній технологічній практиці для оцінки в’язкісних властивостей полімерних композицій використовують різні умовні показники, які відповідають вимірюванню в’язкості в певних, строго регламентованих умовах (температура та режим деформування). Для термопластів найбільш широко використовується ПТР, який представляє характеристику текучості, виміряну методом капілярної віскозиметрії при строго визначених температурі і напруженні зсуву. Крім того, для оцінки в’язкісних характеристик термопластів вимірюють глибину затікання розплавленого матеріалу в спіральний канал стандартної форми. Для невулканізованих каучуків та гумових сумішей використовується метод оцінки в’язкості по Муні. У випадку розбавлених розчинів полімерів користуються характеристичною в’язкістю. Характеристична в’язкість – умовний показник, який визначає відносний приріст в’язкості низькомолекулярного розчинника при введенні у нього полімера.
Якщо η та η0 – в’язкості, відповідно розчину з концентрацією С та чистого розчинника, то величину η/η0 називають відносною в’язкістю:
,
(9.1.)
величину (η-η0)/η0 – питомою в’язкістю:
,
(9.2.)
і величину ηпит/с – приведеною в’язкістю:
.
(9.3.)
Тоді під характеристичною в’зкістю розуміють:
(9.4.)
Відносна та питома в’язкості – безрозмірні величини. Якщо концентрація розчину виражена в г/л, то одиниця характеристичної в’язкості – л/г, або м3/кг.
Експериментальні методи визначення [η] зводяться до вимірювання η0 та декількох значень η. Після цього проводять графічну екстраполяцію одержаних даних до С=0. На практиці для цих вимірювань використовують віскозиметри Оствальда та Убелоде. Часто операцію екстраполяції експериментальних даних замінюють обчисленням характеристичної в’язкості за аналітичними залежностями [η] від ηпит, які дають можливість знайти [η] за даними обмеженої кількості вимірювань:
1) найбільш розповсюджене – рівняння Хаггінса:
,
(9.5.)
величина k` (константа Хаггінса) характеризує взаємодію полімера з розчинником і для даної системи є постійною;
2) обчислення [η] за відносною в’язкістю:
(9.6.)
Між постійними k`та k`` виконується залежність:
k`+ k``= 0,5. (9.7.)
Вимірювання [η] використовують для визначення молекулярної маси полімерів, так як [η] та ММ пов’язані формулою Марка-Куна-Хувінка:
(9.8.)
де К та α – емпіричні сталі, які визначаються незалежним калібруванням для кожної пари полімер-розчинник. Значення α лежать в межах 0,5 та 1,0.