32. В’язкотекучі властивості пластмас, в тому числі час твердження по методу Канавця

Текучість характеризує здатність полімерів до в’язкої течії при впливу зовнішніх зусиль і чисельно дорівнює зворотній величині в'язкості 1/η.

Про текучість термопластичних полімерних матеріалів судять по показнику текучості розплаву (індексу розплаву), вимірюваному методом капілярної віскозиметрії при строго визначених умовах. За показник текучості розплаву приймається маса полімеру, видавлена протягом 10хв через стандартне сопло під тиском відповідного вантажу і при заданій температурі.

Для виміру показника текучості розплаву застосовується вантажний капілярний віскозиметр.

Показник текучості розплаву і (в г/10хв) розраховують по формулі:

і=10 Q/t (9.1)

де Q – маса полімеру, г; t – час видавлювання, хв.

Показник текучості розплаву є порівняльною характеристикою, однак він широко використовується на практиці. За значенням показника текучості розплаву проводиться попередній вибір методу переробки полімерів. Так, екструзією можна переробляти полімери з показником текучості розплаву 0,3–1,2 г/10хв, литтям під тиском – 1,2–3 г/10хв, а для нанесення покрить придатні полімери з і ≥≥ 7 г/10хв. Звичайно, ці значення трохи умовні, тому що підбором температури розплаву в'язкість можна змінювати в досить широкому інтервалі, що дозволяє високов'язкі полімери переробляти литтям під тиском, а низьков’язкі – екструзією.

Відомо, що показник текучості розплаву залежить від будови полімеру, зокрема від молекулярної маси:

і = ехр(С - Мп/В)

де Мп – середньочисельна молекулярна маса; С, В – постійні.

Для використання в розрахунках технологічних параметрів показник текучості розплаву доцільно представити у виді реологічних характеристик. Оскільки показник текучості розплаву кількісно виражає витрата розплаву, то, використовуючи рівняння можна визначити швидкість зсуву:

(9.2)

де ρ - густина розплаву при температурі виміру показника текучості; R - радіус капіляра (сопла).

Для визначення напруги зсуву τі (у Мпа) застосовуємо рівняння:

(9.3)

де G – маса стандартного вантажу; R – радіус штока приладу; l – довжина сопла; m – вхідний поправочний коефіцієнт.

Знайдені характеристики являють собою координати однієї точки на реологічній кривій течії. Тому практичне застосування знаходять значення, отримані для полімерів з різними показниками текучості розплаву і представлені у виді відповідної номограми. Таким чином, значення показника текучості розплаву дозволяє одержати першу інформацію про реологічні властивості розплаву й оцінити здатність полімерів до в’язкої течії.

Текучість термореактивних прес-матеріалів

Текучість термореактивних прес-матеріалів по методу Рашига визначається на знімній прес-формі, розміри якої й умови пресування повинні відповідати стандартним.

Прес-форма складається з обойми 1 (рис. 9.2), у яку вставляють два вкладиші 2, що з'єднуються штифтами 5 і утворюючих завантажувальну камеру і вимірювальний канал. Тиск у камері створюється пуансоном 3. Корпус (обойма) прес-форми обігрівається електронагрівачами 4. Вимірювальний канал має овальний переріз (переріз А-А), розміри якого зменшуються по ходу руху нагрітого прес-матеріалу.

Рис. 9.2. Прес-форма для виміру текучості по Рашигу:

1–- обойма; 2–- вкладиш; 3 – пуансон; 4–- нагрівач; 5–- штифти.

Для визначення текучості наважку матеріалу у виді порошку або таблетки поміщають у завантажувальну камеру прес-форми, що попередньо нагрівають до температури досліду. Потім опускають пуансон і протягом 20с створюється питомий тиск у камері 30±2,5Мпа. Час витримки прес-матеріалу під тиском складає 180 с. Протягом цього часу прес-матеріал, що знаходиться у в’язкотекучому стані, тече по вимірювальному каналу, заповнюючи його на відповідну довжину. Після закінчення витримки знімають тиск і розбирають прес-форму, відокремлюючи вкладиші 2 один від одного. За текучість по Рашигу приймають величину, рівну довжині (у мм) відпресованого стержня від основи завантажувальної камери до його щільної частини.

Текучість, знайдена по методу Рашига, є відносною величиною, оскільки її не можна перерахувати у відомі реологічні характеристики. При цьому значення текучості (довжина відпресованого стержня) залежить від швидкості твердіння прес-матеріалу. Так, якщо матеріал має гарну текучість (малу в'язкість), але здатний швидко твердіти і переходити у твердий стан, то довжина відпресованого стержня буде невеликою. Це пояснюється тим, що матеріал тече дуже малий час, тобто твердіє раніш, ніж закінчується час досліду. І навпаки: якщо прес-матеріал має велику в'язкість, але малу швидкістю твердіння, то текучість по Рашигу в нього може виявитися високою, тому що він тече протягом усього часу витримки (180с).

Визначення в’язкотекучих властивостей і часу твердіння реактопластів по методу Канавца. По типу пластометра Канавца створений і використовується прилад типу ППР-1, за допомогою якого можна визначити: напругу зсуву матеріалу в в’язкотекучому стані, тривалість перебування його у в’язкотекучому стані, час твердіння, а також залежність даних характеристик від температури і швидкості зсуву.

Пластометр (рис. 8.3) складається з корпуса 1, що закріплений на підшипниках у станині приладу. Всередину корпуса 1 вставляються два вкладиші 2, що утворюють рознімну циліндричну матрицю прес-форми, тобто зовнішній циліндр віскозиметра. Внутрішнім циліндром є рифлений штир 3, що з'єднаний через систему тяг із силовимірним важелем 8. Необхідне навантаження створюється вантажем 9, а крутящий момент, виникаючий у вимірювальному каналі, записується на барабані і реєструється по шкалі вимірювального приладу 7. Тиск у вимірювальній камері створюється пуансоном 5, що з'єднується з навантажувальним пристроєм. Корпус 1 має привід 6 і може обертатися навколо вісі з заданою кутовою швидкістю ω. Вимір проводять у такий спосіб. У зібрану з двох вкладишів камеру матриці поміщають прес-матеріал 4 і опускають пуансон 5, створюється необхідний питомий тиск (30±5Мпа); потім включають привід обертання корпуса 1, що попередньо нагрівають до заданої температури. Пресс-матеріал, знаходячись у в’язкотекучому стані між обертовим і нерухомим циліндрами, піддається сдвиговій течії. Виникаючі на стінках нерухомого циліндра напруги зсуву прагнуть провернути штир 3, у результаті створюється крутящий момент Мкр, регіструємий вимірювальним приладом 7. При цьому напруга зсуву пропорційна крутящому моменту і може бути знайдена по рівнянню

. (9.4)

Напруга зсуву залежить від властивостей матеріалу, температури і швидкості зсуву, що

створюється за рахунок кутової швидкості корпуса (матриці).

Рис. 9.3. Схема пластометра:

1 – корпус матриці; 2 – вкладиш; 3 – штир; 4 – досліджуваний матеріал; 5 – пуансон; 6 – привід; 7 – вимірювальний прилад; 8 – важіль; 9 – вантажі.

На шкалі приладу реєструється зміна напруги зсуву в часі (рис. 9.4), обумовлене процесом твердіння, тобто фактично записується крива кінетики твердіння в часі. На діаграмі можна виділити дві ділянки. Ділянка кривої ob відповідає текучому стану матеріалу, коли напруга зсуву майже не змінюється. Відрізок часу, що відповідає ділянці кривої ob, звичайно називають тривалістю в’язкотекучого стану. Протягом часу, що відповідає ділянці кривої bc, відбувається хімічна реакція твердіння. При цьому кут нахилу кривої характеризує швидкість переходу матеріалу в неплавкий і нерозчинний стан.

Рис. 9.4. Залежність напруги зсуву від часу перебування прес-матеріалу в пластометрі при різних температурах (T₁ < Т₄).

Час твердіння прес-матеріалу в пластометрі tо.п відповідає ділянці кривої ос, тобто дорівнює часу від початку нагрівання до досягнення визначеного значення напруги зсуву τ.отв. Це напруга для фенопластів повинно складати 5,88Мпа, а для амінопластів – 3,92Мпа. По значенню часу твердіння розраховується час витримки при пресуванні виробів. Якщо спроектувати точку b на вісь ординат, то можна визначити напругу зсуву τ.в.т, що відповідає в’язкотекучому стану матеріалу при даній температурі і частоті обертання ротора. Отримане значення напруги зсуву можна використовувати для розрахунку форми або визначення ефективної в'язкості. Залежність tв.т від температури використовується для знаходження максимальної температури попереднього нагрівання прес-матеріалу перед пресуванням. При нагріванні матеріалів до високих температур необхідно швидко завантажити матеріал у прес-форму і зімкнути її, щоб не відбулося передчасне твердіння. Сумарний час завантаження і змикання (час формування tф) повинен бути не більше тривалості в’язкотекучого стану tв.т. Виходячи з цього, якщо відкладемо на осі ординат (рис. 9.5) час формування tф, то на осі абсцис можемо визначити максимально допустиму температуру попереднього нагрівання Тпр.

Рис. 9.5. Залежність тривалості в’язкотекучого стану від температури.

На пластометрі можна також одержати дані для розрахунку реологічної кривої течії τ=φ(γ). Для цього знаходять напругу зсуву для матеріалу у в’язкотекучому стані при різних швидкостях зсуву (кутова швидкість матриці ω).

Недоліком даного методу є те, що твердіння прес-матеріалів відбувається при деформуванні. Тому під дією напруг зсуву можуть частково руйнуватися виникаючі просторові міжмолекулярні зв'язки. Такий вплив може змінити кінетику хімічної реакції і вплинути на час твердіння. При твердінні в прес-формі зсув шарів відсутній. Таким чином, при дослідженні термореактивних матеріалів на пластометрі не забезпечується повне моделювання процесу пресування. Для усунення цього недоліку виміри на пластометрі можна проводити при періодичному включенні обертання ротора на нетривалий час. В цілому дослідження прес-матеріалів на пластометрі є комплексним методом, тому що дозволяє досить швидко визначити декілька технологічних показників.

33. Математическая модель зоны плавления. Метод определения изменения ширины пробки.

Рассмотрим закономерности движения полимера в зоне плавления, когда пленка расплава образована только на поверхности цилиндра. Для данного случая силы трения на цилиндрической поверхности червяка зависят от коэффициента трения гранул полимера и давления, поэтому крутящий момент можно рассчитать по уравнению (14.1) зоны загрузки . Крутящий же момент dM_ц, возникающий от силы вязкого течения на поверхности цилиндра, зависит от напряжения сдвига τ_ц и равен

, (14.32)

где τ_ц – напряжение сдвига при течении расплава между слоем гранул и цилиндром.

Распределение температуры по толщине пленки зависит от теплового потока, передаваемого через стенку цилиндра, и диссипации энергии вязкого течения расплава. При переработке кристаллизующихся полимеров часть теплоты расходуется на плавление, поэтому температура на границе раздела фаз равна температуре плавления Т_пл. Распределение температуры по толщине пленки для ламинарного режима течения расплава можно описать уравнением теплопроводности, проинтегрированном по толщине пленки расплава.

На участке, где толщина слоя расплава превысит радиальный зазор между витком червяка и цилиндром δ_ш, происходит срезание расплава и накопление его у напорной грани червяка. Расплав у напорной грани движется вокруг оси червяка и, кроме того, в нем возникают циркуляционные потоки, как показано стрелками на рис. 14.8. Циркуляция расплава возникает за счет градиента давления, появляющегося при срезании расплава с поверхности цилиндра. Поскольку глубина канала нарезки значительно меньше ширины, то циркуляционные вихри распространяются не по всей ширине канала. При этом пленка расплава, находящаяся между цилиндром и слоем гранул, движется, как было рассмотрено ранее. Однако в результате действия градиента давления, возникающего при срезании расплава, и силы, возникающей на поверхности цилиндра, происходит дополнительный сдвиг и скорость потока возрастает, а эпюра скорости становится выпуклой.

Рис. 14.8. Схема движения гранул и пленки расплава полимера в зоне плавления:

1 – расплав полимера; 2 – гранулы полимера.

Под действием давления, возникающего у напорной грани, появляется поток утечек через радиальный зазор между выступом нарезки червяка и цилиндром, величину которого необходимо учитывать при расчете параметров работы зоны плавления.

Одним из основных параметров, влияющих на скорость плавления, является температура, поэтому ее значение выбирается с таким расчетом, чтобы выполнялось условие:    h (где  – толщина пленки расплава;  h – изменение глубины канала нарезки шнека на длине l). Это означает, что уменьшение толщины слоя гранул должно несколько опережать уменьшение глубины канала. В противном случае может произойти заклинивание слоя гранул и производительность экструдера понизится.

Таким образом, в зоне плавления твердый слой гранул сохраняет движение, аналогичное движению в зоне загрузки и, кроме того, появляются два потока течения расплава: в зазоре между цилиндром и гранулами, а также около напорной грани червяка. Под действием напряжения сдвига, возникающего на поверхности cлоя, крайние гранулы захватываются расплавом и плавятся, вследствие чего ширина твердой частицы полимера уменьшается, а толщина слоя расплава у напорной грани возрастает.

Внешние силы, действующие на полимер в канале червяка зоны плавления, обусловлены вязким течением расплава на поверхности цилиндра, у напорной грани витка червяка и заполненной расплавом части канала, а также трением гранул по остальным поверхностям канала. Тогда уравнение для крутящего момента (14.32) примет вид:

, (14.33)

где ψl = δ_нг – ширина слоя расплава у напорной грани витка; ψ – коэффициент, учитывающий прирост слоя расплава у напорной грани.

За счет наличия расплава у напорной грани изменяется крутящий момент на поверхности червяка dM_ч. С учетом изменения ширины цилиндрической поверхности, соприкасающейся с гранулами, он равен:

dM_ч=p f_ч (b-ψ l)R₁²dΘ. (14.34)

Крутящий момент, возникающий от действия сил расплава у напорной грани:

, (14.35)

Изменение давления по длине цилиндра можно найти из равновесия крутящих моментов

dp b h_пл R_ср cosφ = dM_ц – dM_ч – dM_h. (14.36)

Подставив вместо крутящих моментов их значения, иммем:

, (14.37)

здесь ; (14.38)

; (14.39)

F = b R₃ h_пл R_ср sinφ. (14.40)

После интегрирования уравнения (14.37) и необходимых преобразований получаем уравнение для расчета по участкам давления в зоне плавления:

, (14.41)

где р_i-1 – давление, создаваемое на предыдущем расчетном участке длиной l_i-1.

Из рассмотренного следует, что по мере продвижения полимера ширина и толщина слоя гранул постепенно уменьшается, а количество расплава у напорной грани возрастает. На процесс плавления полимера влияет также теплота, выделяемая на поверхности шнека от трения. Когда температура на поверхности шнека достигнет температуры плавления, на этой поверхности также появляется слой расплава, что значительно ускоряет плавление и разрушение твердого слоя гранул.

От скорости плавления гранул в значительной степени зависит гомогенизация расплава в зоне дозирования и соответственно качество изделий. Чем раньше заканчивается плавление, тем лучше происходит смешение расплава и выше его однородность.

Производительность зоны плавления Q_п ≥ Q_д , где Q_д – производительность зоны дозирования. При необходимости, количество тепловой энергии, полученное перерабатываемым материалом в зоне плавления, определяется по изменению его теплосодержания при переходе из твердого состояния в вязкотекучее с учетом теплоты плавления материала и его рекристаллизации.