8.1 Деформация при течении полимеров
Существует большой класс жидкостей, у которых скорость сдвига увеличивается быстрее, чем напряжение сдвига. Графически изменение скорости сдвига в зависимости от напряжения сдвига для жидкостей такого типа изобразится кривой 2 на рисунке 41.
Вязкостные свойства таких жидкостей уже нельзя охарактеризовать постоянной величиной. Можно по аналогии с ньютоновскими жидкостями считать, что в любой точке кривой 2 скорость сдвига по - прежнему определяется уравнением (28). При этом коэффициент вязкости утрачивает значение константы, а сам, в свою очередь, зависит от скорости (или напряжения) сдвига. В этом случае его принято называть эффективной вязкостью и обозначать μэф .
Жидкости, вязкость которых зависит от режима течения, принято называть аномально - вязкими жидкостями, а само явление — аномалией вязкости. Для аномально - вязких жидкостей чисто формально можно представить связь между скоростью сдвига и напряжением сдвига в виде выражения:
или
(28)
Графики, подобные представленным на рисунке 40, обычно называют кривыми течения.
Опыт показывает, что большинство полимеров и их растворов в условиях переработки обладает аномалией вязкости, что сильно усложняет задачу построения количественных теорий процессов переработки.
На полной кривой течения (рис. 40) можно выделить три характерных участка: начальный участок (область I), в пределах которого скорость деформации прямо пропорциональна напряжению сдвига (течение с наибольшей ньютоновской вязкостью); переходной участок (область II), в пределах которого скорость деформации возрастает быстрее, чем напряжение сдвига (эффективная вязкость уменьшается с увеличением напряжения сдвига), и последний участок (область III), в пределах которого скорость деформации вновь растет пропорционально напряжению сдвига (течение с минимальной ньютоновской вязкостью).
Кривые течения, имеющие все три участка, удается наблюдать для полимеров. В случае расплавов обычно можно получить только первые два участка.
Основная особенность течения полимеров заключается в одновременном развитии трех видов деформации: упругой γу, высокоэластической γв и пластической γп. Деформации первых двух видов носят обратимый характер, деформации третьего вида являются необратимыми. Таким образом, для деформации сдвига элементарной призмы, вырезанной из расплава, справедливо следующее уравнение:
= у + в + п (29)
Пластическая деформация представляет собой вязкое течение, связанное с необратимым перемещением молекул или их групп на расстояние, превышающее размеры самой молекулы. Скорость развития пластической деформации, так же как и высокоэластической, сильно зависит от температуры.
Одновременное развитие всех этих трех видов деформации приводит к тому, что в условиях установившегося течения полимеры обладают свойствами так называемых аномально - вязких, или неньютоновских жидкостей. Это означает, что при весьма малых напряжениях сдвига реологические свойства расплава характеризуются постоянной ньютоновской вязкостью. В этой области скорость накопления высокоэластических деформаций оказывается меньше скорости их релаксации, быстро увеличивающейся с ростом деформации. Вследствие этого накопленная обратимая деформация оказывается очень малой, а материал течет с постоянной ньютоновской вязкостью μ (область I на рис. 40). Дальнейшее увеличение напряжения (или скорости деформации) приводит к тому, что накапливающаяся деформация уже не успевает релаксировать полностью, поэтому какая - то часть деформации носит высокоэластический характер. Внешне это проявляется в интенсивном уменьшении сопротивления деформации или, иначе говоря, в уменьшении коэффициента вязкости системы (область II на рис. 40). Наконец, если скорость деформации настолько велика, что высокоэластическая деформация полимерных молекул остается неизменной, то коэффициент вязкости перестает уменьшаться, достигая некоторого минимального значения η (область III на рис. 40).
Рисунок 40 — Кривая течения аномально - вязкой жидкости