Реологические свойства термопластов и резиновых смесей

При нагреве аморфных термопластичных материалов до температуры выше температуры стеклования Т_с, а кристаллических материалов — выше температуры плавления Т_пл полимер получает способность к вязкому течению, т. е. к большим необратимым пластическим деформациям. Вместе с этим в полимере развиваются еще два вида деформаций: упругая и высокоэластическая.

Одновременное развитие данных видов деформации приводит к появлению ряда специфических особенностей поведения расплава полимерного материала при его деформировании— аномальных по сравнению с поведением низкомолекулярных (ньютоновских) жидкостей.

Реологическое состояние материалов, относящихся к ньютоновским жидкостям, при одномерном сдвиговом течении можно охарактеризовать уравнением

Коэффициент ɳ_н является реологической характеристикой жидкости и при данной температуре не зависит от режима течения (интенсивности деформирования у).

Реологические свойства расплавов полимерных материалов лишь в области весьма малых напряжений сдвига могут характеризоваться постоянной ньютоновской вязкостью. В условиях установившегося течения расплав полимерного материала в. большинстве случаев приобретает свойства неньютоновских или аномально-вязких, жидкостей.

Реологические свойства аномально-вязких жидкостей нельзя охарактеризовать постоянной величиной вязкости: она утрачивает значение константы из-за зависимости от условий деформирования. Формально связь между т и у Для такой жидкости можно представить в виде

Графическое изображение зависимостей (1.9) и (1.10), обычно называемое кривыми течения, представлено на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Кривые течения ньютоновской (1) и неньютоновской (2) жидкостей.
Рис. 1.9. Кривые течения полиэтилена при 535 К (1), 477 К (2) и 423 К (3)

Для получения представления о реологических свойствах расплавов полимеров определяют экспериментальную кривую течения методами ротационной или капиллярной вискозиметрии. На рис. 1.9 показаны кривые течения полиэтилена в логарифмических координатах.

Математическое описание экспериментальной кривой течения может быть представлено в виде степенного закона

В зависимости от характера функции ɳ = f(T,y) неньютоновские жидкости подразделяют на три группы: 1) бингамовские жидкости; 2) псевдопластичные жидкости; 3) дилатантные жидкости.

Бингамовские жидкости в состоянии покоя представляют собой тело, имеющее жесткую пространственную структуру. Эта структура может быть разрушена при деформировании после достижения определенного значения напряжения сдвига τ = τ_т, называемого пределом текучести. При τ > τ_т система обнаруживает неньютоновское поведение. Для псевдопластичных жидкостей характерно отсутствие предела текучести и наличие постепенного уменьшения эффективной вязкости с ростом скорости сдвига. Дилатантные жидкости также не имеют предела текучести, а их эффективная вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига.

Эффективная вязкость, определяемая как соотношение τ и у из выражений (1.9) — (1.11), может быть представлена в следующем виде:

Индекс течения n в (1.1) не является константой, а уменьшается с ростом скорости сдвига. Очевидно, что с помощью степенного закона невозможно описать всю кривую течения, однако отдельные ее участки могут быть с некоторой степенью приближения заменены отрезками прямых, тангенсы угла наклона которых представляют собой локальные значения индекса течения. Условно разбивая кривую течения на отрезки с определенным диапазоном скоростей сдвига, характерным для отдельной стадии процесса переработки, можно описать реологическое поведение, т. е. определить эффективную вязкость ɳ (у), которая обнаруживается на каждой из этих стадий.

Из-за непостоянства индекса течения нельзя судить об эффективной вязкости по результатам испытаний в ограниченном диапазоне изменения у, так как это может привести к ошибочным результатам. Действительно, определяя ɳ (у) в огранные на область более высоких или более низких у, можно допустить значительную ошибку. Отсюда очевидна неправомерность прогнозирования перерабатываемости полимерных материалов по данным испытаний в условиях, далеких от реализуемых на промышленном оборудовании.

Зависимость вязкости полимерных материалов от температуры весьма значительна и именно это обстоятельство предопределило использование предварительного подогрева полимера в различных методах переработки пластмасс. Разогрев термопласта и резиновой смеси понижает их вязкость и облегчает процессы формования изделий.

Общепринятой в настоящее время является аналитическая зависимость эффективной вязкости от интенсивности деформирования у и температуры Т, полученная с использованием уравнения Аррениуса в виде

Ниже приведены значения постоянных этого уравнения для полистирола марки ПСЭ-1 (ГОСТ 20282—74) и полиэтилена высокой плотности марки 20908-40 (ГОСТ 16337—77):

Экспериментально установлено, что термопласты и каучуки в чистом виде и в виде полимерной термопластичной композиции и резиновой смеси в состоянии расплава являются псевдопластичными жидкостями, реологическое поведение которых может быть описано зависимостью (1.13).