Теория и практика экструзии полимеров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОУПРУГИХ СВОЙСТВ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Вязкоупругие свойства полимерных материалов определяли комбинированным способом. Материальные функции, характсри - (мошие вязкость и первую разность нормальных напряжений, на­ходили при помощи щелевого реометра, вторую разность нор­
мальных напряжений оценивали методом двойного лучепрелом ления (методика приведена выше).

Схема рабочего узла для измерения материальных констлш, определяющих эффективную вязкость и первую разность нор мальных напряжений, показана на рис. 4.21. Для данной серим исследований неподвижный диск / выполнен с большим пет ральным отверстием, в которое вставлен элемент формировании щелевого потока, состоящий из верхней // и нижней /2 частей • пазами, совместно образующими полость для щелевого потока.

Система замера давления вдоль щели и на выходе состоит Ml четырех линий. Каждая из этих линий включает те же элемент, которые составляют аналогичные измерительные линии, показан ные на рис. 4.18, а именно: датчик 2, соединительную трубку I, манометр 4 и регулируемый переходник 5. Для поддержания м данного теплового режима щелевой реометр обеспечен системой температурной стабилизации, которая для верхней части включап нагреватель 10, датчик температуры 7 и регулятор температуры Л, а для нижней части — соответствующие элементы 13, 8 и 9.

Конструкция датчика ) показана на рис. 4.19, а сю описание и описание схемы заполнения системы жидко стью рассмотрены в прели душем разделе.

Пазы в верхней II и нижней 12 частях щелевою реометра со стороны непод­вижного диска выполнены клинообразными, с углом наклона в сторону выходи о го отверстия. В измеритель ной зоне пазы выподно• ни плоскопараллельными, г суммарным сечением в вило прямоугольника с размерами сторон А = 2 мм и b ш 20 мм При этом длина щели/4 = 80 мм. Данное соотноше­ние между высотой и шири ной щели обеспечивай с п раведл ивость допущен и и об одномерности потока.

Расстояния от выходя щели до расположения да i чиков составляют: 1 = 6 мм, li = 22 мм, /3= 38 мм, /,|- = 54 мм. При этом расстом

«ни - oi входа в щель до первого по ходу движения полимера датчи - М (на рис. 4.21 данный датчик имеет номер 4) составляет 26 мм, щ» позволяет устранить эффекты входной зоны и полностью ста­ми ип шровать потоки в зоне измерений.

К процессе проведения экспериментов варьировались два па­раметра: эффективная скорость сдвига и температура.

>ффективная скорость сдвига определяется с помощью следу­ющего выражения:

6 Q

ЬМ^ТЛ - (4-215)

bn

II случае одномерного течения в щели напряжение сдвига на. н ике находится по формуле:

(4-2|6)

• I. I)/’/Эх - градиент давления в направлении течения.

Результаты измерений нормальных напряжений на стенке гце - м пого реометра для расплавов полиэтилена и полистирола прсд - I пилены в табл. 4.2. и 4.3 соответственно.

Для определения вязкостных свойств полимерных жидкостей необходимо построить кривые течения, используя уравнение

(4.206) для обработки экспериментальных данных.

Так как непосредственные замеры с помощью датчиков давле­ния позволяют определить нормальные напряжения на стенке, а для определения напряжений сдвига по формуле (4.217) необхо димо иметь данные по градиенту давления, то следует установить взаимосвязь между градиентами нормальных напряжений и даилс ния. С учетом независимости девиаторной составляющей напри жений от значения координаты, характеризующей направление движения потока, из уравнения (4.66) следует:

SHAPE * MERGEFORMAT

d Sa(b, x) дР(Ь, х)

дх

Необходимо заметить, что уравнение (4.217) справедливо толь ко для установившегося течения в каналах с постоянными геомо ричсскими параметрами. В противном случае девиаторная состав ляющая напряжения зависит от координаты х.

I la рис. 4.22 в качестве примера для одного из вариантов, ирсл - I, именных в табл. 4.2, показаны распределения нормальных на­пряжений вдоль щели на ее стенке. Аналогичные графики можно ниучить и для других сочетаний температур и скоростей сдвига и I iafvi. 4.2. и 4.3.

Как видно из рис. 4.22, нормальные напряжения вдоль щели име­ни шнейное распределение, что соответствует углу наклона в 45°.

Построение зависимостей на рис. 4.22 в двойных логарифми - н i mix координатах позволяет с большой точностью найти давле - мис на выходе, которое необходимо знать для определения первой (мшости нормальных напряжений.

На рис. 4.23 и рис. 4.24 приведены кривые течения для иссле - ivcmmx материалов, из которых видно, что напряжения сдвига подчиняются степенному за - MMiv:

Ч =СЧ"Х

Численные значения мате­рил 1ьных констант С и яь по­именных из кривых течения с учетом выражения (4.218), при - |' юны в табл. 4.4.

1ля определения материаль­ных констант, характеризую­щих первую разность нормаль­ных напряжений, использовали выражение (4.153). Ретулылгы но давлению на выходе приве - leiiiu в табл. 4.2. и 4.3. Кривые

зависимости первой разности нормальных напряжений от скорос­ти сдвига приведены на рис. 4.25 и 4.26. Из приведенных график - следует, что первая разность нормальных напряжений, так же как и напряжение сдвига, удовлетворяет степенному закону. Следова­тельно, можно записать:

(•У«-УИг)*=с2УЯ|- (4.219)

Материальные константы с2 и п2 сведены в табл. 4.4. Как следу ет из приведенных здесь данных, для полиэтилена низкого давле­ния показатели степени в степенных соотношениях, описываю-

Рис. 4.26. Зависимость первой разности нормальных напряжений от скорости сдвига для полистирола при следующих температурах:

/ - 453 К; 2-473 К; 3- 493 К; 4-513 К

Рис. 4.27. Схема экспериментальной установки для ис­следования напряженно-деформированного состояния расплавов полимеров методом двойного лучепреломле­ния

ншх как напряжение сдвига, так и первую разность нормальных напряжений, одинаковы. Для полистирола наблюдается некото­рое отклонение в показателях степени п и п2.

Материальные константы, характеризующие вторую раз­ность нормальных напряжений, определялись на эксперимсн - глльной установке с модификацией рабочего узла, изображен­ного на рис. 4.27.

При этом использовался второй вариант, приведенный вразде - ie 4.4.3. Распределение отношений второй разности нормальных напряжений к первой в зависимости от скорости сдвига приведе­но на рис. 4.28. Из приведенных на рис. 4.28 результатов видно, что отношение второй разно­сти нормальных напряжений к первой остается практически постоянным для всего диапа - юна исследуемых скоростей сдвига. Данное соотношение наблюдается и при других тем­пературах.

Значения материальных кон­стант для исследованных по­лимерных жидкостей, опи­сываемых моделью для моди­фицированной жидкости вто­рого порядка, с учетом выражений (4.33) приведены ' туре 473 К:

В Табл. 4.5. /- полистирол; 2— ПЭНД