книги / Основы практической реологии и реометрии

Рис. 21. Кривые течения трех расплавов ПММА при 220 °С с регрессионным рас­ четом участка кривой

Преимущество измерений при постоянном напряжении сдвига становится еще более очевидным при испытаниях образцов, для ко­ торых показатель степени п ниже 0,3.

Кривые вязкости трех образцов ПММА (рис. 22) отражают ана­ логичную ситуацию: условия постоянства скорости сдвига опреде­ ляются пересечениями кривых вязкости линиями, параллельными оси ординат. Кривая вязкости при постоянном напряжении сдвига (например, 216 000 Па) представляет собой прямую с углом наклона 45° ( t g a = - l) , которая пересекается с кривой вязкости ПММАЗ

при 6467 Па с (33,4 с"1) и с кривой вязкости ПММА1 при 144 Па с (1500 с"1).

Представляет интерес рассмотреть различие в отношениях вели­ чин вязкости этих трех полимеров, измеренной на CS- и CRреометрах, при постоянном напряжении сдвига или при постоянной скорости сдвига:

CS-реометры: TI/H I = 6467/144 = 45;

CR-реометры: Т|з/'П| = 1782/516 = 3,45.

Сравнение при постоянном напряжении сдвига имеет еще одно преимущество (рис. 23): все линии постоянного напряжения сдвига, которые проходят параллельно с одинаковым наклоном в 45°, пере­ секаются с семейством кривых вязкости полимеров в точках равных наклонов, т. е. равных экспонент п. Хотя различные классы поли­ мерных расплавов имеют различные кривые вязкости, анализ кри­ вых, полученных при постоянном напряжении сдвига, позволяет сравнивать их между собой, так как эти полимеры в равной степени являются неньютоновскими жидкостями и характер их течения по­ добен как в капиллярах, так и в сдвиговых зазорах.

Сравнение данных, полученных на CR-реометре (рис. 24) и отне­ сенных к области скорости сдвига 1-10 с-1, дает различные уровни вязкости и различные наклоны кривых вязкости: 1)3 = 0,44; 1)2 = 0,8; ill = 0,92. Это приводит к тому, что прямое сравнение подобных расплавов полимеров становится затруднительным или даже невоз­ можным.

в) CS-реометры превосходят CR-реометры при испытаниях об­ разцов определенного реологического поведения, а именно таких, которые проявляют характер течения, свойственный как твердо­

му, так и вязкому телу в зависимости от скорости сдвига и сдви­ говой предысгцории.

столько, чтобы преодолеть сопротивление образца, который ведет себя как твердое тело. Образец “схватывает” ротор и удерживает его в неподвижном положении. После превышения предела текуче­ сти ротор начинает вращаться и его отклонение очень точно фикси­ руется особо чувствительным датчиком деформации (рис. 25, чер­ ные точки). Таким образом, реализуется возможность правильного определения характера течения дисперсий, отличающихся малыми значениями пределов текучести.

Принцип действия большинства CR-реометров, обычно техниче­ ски менее сложных и более дешевых, чем CS-реометры, иной (см. рис. 13, Б1).

Электрический двигатель, связанный с тахометром-генератором, задает скорость вращения ротора. Вращение передается на внут­ ренний цилиндр - ротор, который в случае системы коаксиальных цилиндров погружен в измеряемый образец. Торсионный датчик угла поворота ротора (мягкая пружина, работающая на скручива­ ние, у которой полному диапазону крутящего момента соответству­ ет отклонение примерно в 90°) расположен между ротором и двига­ телем. Вращение ротора в жидкости создает заданный градиент скорости сдвига; в то же время из-за сопротивления образца сдвигу возникает противодействующий крутящий момент, пропорцио­ нальный вязкости, который, соответственно, закручивает торсион­ ный датчик.

Это значит, что при испытании образца, обладающего пределом текучести, двигатель начинает медленно вращаться и его скорость определяется тахометром-генератором в виде электрического сиг­ нала. Но ротор, будучи окружен твердообразньци образцом, удер­ живается в состоянии, обусловленном только Моментом скручива­ ния пружины. В вискозиметрах с мягкой пру*иц0й в области изме­ рений ниже предела текучести действительные скорости двигателя и ротора существенно различаются. Кривая течения в координатах напряжение сдвига - скорость сдвига имеет ВИД наклонной прямой. Угол этого наклона соответствует “коэффициенту пружины”, т. е. ее упругости, но никоим образом не отражает свойств материа­ ла. В начале кривой течения регистрируемая скорость сдвига не яв­ ляется фактической скоростью сдвига в слое образца, а только от­ ражает сигнал вращения двигателя и тахометра-генератора (рис. 25, треугольные точки). С увеличением скорости вращения двигателя напряжение внутри образца, подвергаемого сдвигу, возрастает, и наступает момент, когда оно превышает предед текучести образ­

вращения двигателя. С началом реального течения образца кривая течения круто изменяет свой наклон, и с этого момента увеличение скорости вращения двигателя и ротора становится идентичным

и может быть использовано для расчета соответствующей скорости сдвига. Напряжение сдвига в точке резкого изменения наклона кривой течения определяют как предел текучести исследуемого образца.

Нужно иметь в виду, что до предела текучести и вблизи него CR-реометры с мягкой пружиной в качестве датчика момента вра­ щения дают результаты, которые не удовлетворяют требованиям, необходимым для установления надежной корреляции между ско­ ростями и напряжениями сдвига. Хотя неопределенность скорости сдвига может относиться только к очень малому начальному участ­ ку кривой течения, она может затемнить реологическую информа­ цию большой важности, например результаты динамических испы­ таний при малых амплитудах или исследование ползучести и вос­ становления при малых деформациях или наличие малых значений предела текучести, способных препятствовать седиментации частиц в дисперсиях. Применение такого типа CR-реометров не дает воз­ можности определить малые значения предела текучести даже пу­ тем аппроксимации, так как эти значения часто составляют всего лишь 4-6% общего диапазона напряжения сдвига, т. е. предел теку­ чести может быть определен с допустимым отклонением

± (20-30)% (см. разд. 6.2).

!В последнее время приобрели популярность CR-

реометры, снабженные жесткими пружинами (в качест­ ве датчика крутящего момента) с максимальным откло­ нением 0,5° во всем диапазоне крутящего момента. Кривые течения жидкостей, характеризуемых пределом текучести, полученные на таком вискозиметре, имеют очень малое отклонение от вертикали при напряжениях ниже предела текучести. Этот угол отчасти связан с ко­ эффициентом жесткости пружины, но кроме того он от­ ражает некоторое значение деформации при ползучести жидкости, которая помещена в измерительную систему.

С помощью CS-реометров можно проводить точные измерения вблизи предела текучести, и их конструкция позволяет измерять предел текучести с гораздо более высокой точностью, чем это воз­ можно на CR-реометрах с пружинным датчиком напряжения и с измерением скорости ротора посредством тахометра-генератора.

г) CS-реометры специально сконструированы для определения вязкоупругих характеристик жидкостей и твердых тел. Образец подвергают воздействию малых напряжений при исследовании пол­ зучести или синусоидальных колебаний с малой амплитудой при исследовании в динамическом режиме. В обоих случаях измерения

проводят исключительно в области упругих деформаций, т. е. при малых напряжениях, которые не вызывают течения материала.

При исследовании образца в твердом состоянии CS-реометр дей­ ствует как датчик, “чувствующий” именно “структуру покоя” дан­ ного образца, относящуюся к его молекулярной структуре или к природе сил, образующих структуру геля. Динамические испыта­ ния с помощью CS-реометра очень удобны для изучения химиче­ ских или физических изменений, протекающих в образце с течени­ ем времени в процессе его вулканизации, отверждения или гелеобразования. В этих испытаниях образец не подвергается механиче­ скому разрушению.

На CR-реометрах с мягкой пружиной в качестве датчика крутя­ щего момента измерения проводят выше предела текучести, и по­ этому они не могут перекрыть область реологического исследова­ ния полутвердых материалов.

Резюмируя сказанное, можно прийти к заключению, что CSреометры по сравнению с CR-реометрами/вискозиметрами дают возможность более широкого и глубокого проникновения во внут­ реннюю структуру полимеров и позволяют измерять характеристи­ ки, имеющие существенное значение при их переработке. Выбор нового реометра для контроля качества продукции часто определя­ ется ценой прибора; в таком случае преимущество остается за CRвискозиметрами, так как они продаются вдвое, а может быть, и еще дешевле, чем современные многоцелевые CS-реометры.

Последние компьютеризированные модели реометров высшего класса, получившие широкое распространение на рынке, могут ра­ ботать как в CS-, так и в CR-режиме. Они позволяют проводить точные измерения предела текучести в режиме CS, автоматически переходить при любом заранее заданном пороговом напряжении в режим CR, а затем продолжать повышать скорость ротора до дос­ тижения высоких скоростей сдвига или выдерживать их постоян­ ными в течение любого периода времени, чтобы гарантировать со­ хранение состояния золя тиксотропной жидкости перед программи­ руемым снижением скорости.

! В литературе часто можно обнаружить, что авторы не делают различий между принципами Серле и Куэтта. Оба вида измерительных систем типа коаксиальных ци­ линдров для ротационных реометров часто называют “Куэтт” В будущем необходимо следовать примерам, данным Международным реологическим обществом, которые подтверждены стандартами DIN Германии и др., чтобы тем самым проводить различие между из­ мерительными системами Серле и Куэтта.

или 1°). Иногда предлагают конусы с меньшими углами, но для них точное установление зазора очень важно, и поэтому их реже реко­ мендуют. В приведенном выше уравнении принимают аппроксима­ цию tg а « а. Конусы с углами вплоть до а = 0,698 рад (4°) часто используют при испытаниях дисперсий с крупными частицами на­ полнителя.

Угол конуса а выбирается таким образом, чтобы для любой точ­ ки поверхности конуса отношение угловой скорости к расстоянию до плоскости было постоянной величиной, т. е. скорость сдвига у

должна быть постоянной от вершины конуса до внешнего радиуса Rcв любой точке зазора.

Установка конуса таким образом, чтобы его вершина только ка­ салась пластины, является очень трудной, особенно когда исполь­ зуют конусы с очень малым углом. Например, при измерении вяз­ кости установка конуса Rc = 17,5 мм с углом 1° на 15 мкм выше плоскости приводит к погрешности в 5%!

Для предотвращения слишком сильного износа вершины конуса и центра пластины при измерениях дисперсий с абразивными на­ полнителями, что приводит к недостоверному положению конуса по отношению к пластине, обычно применяют усеченный конус: вершину конуса сошлифовывают (стачивают) до радиуса усечения /?т (рис. 27). Из этого следует, что осевая высота конуса уменьшает­ ся на величину а. При подготовке измерительной системы конус - плоскость к работе сначала опускают конус до соприкосновения усеченной вершины с плоскостью. Затем конус поднимают вверх на осевое расстояние а. Теперь, когда начинают испытания, вооб­ ражаемая вершина конуса точно касается пластины, как и требуется

Рис. 27. Измерительная система конус-плоскость с усеченным конусом:

Rc- внешний радиус конуса; а - угол конуса; /?т - радиус усеченной части конуса; а - за­ зор между усеченной частью конуса и плоскостью