Устройство для определения реологических свойств полимерных материалов

 

Использование для анализа течения полимерного материала при растяжении в процессе переработки, например при одноосной вытяжке струи для получения волокон или пленки экструзионным методом. Устройство содержит корпус со съемной крышкой, опору, фильеру из проникающего пористого материала, смазочный канал, смазочную полость, уплотнительные кольца. Технический результат: повышение точности результатов исследований течения растяжения полимерных материалов. 1 ил.

Изобретение относится к технике испытания полимерных материалов, в частности высоковязких жидкостей, и может быть использовано для анализа течения полимерного материала при растяжении в процессе переработки, например, при одноосной вытяжке струи для получения волокон или пленки экструзионным методом.

Известно устройство [Акутин М.С., Прокунин А.Н., Проскурина Н.Г. и др. О растяжении расплавов полимеров с постоянной скоростью деформации //Механика полимеров, 1977, 2, с. 353-356), включающее захват для крепления образца с одного конца, жестко связанный с измеряющим растягивающую силу устройством, и шестерни, в зазор которых втягивается образец другим концом. Принцип работы устройства основан на фиксировании продольного усилия при растяжении цилиндрического образца из полимерного материала.

Недостатками данного устройства являются: сложность крепления цилиндрического образца в захвате; узкий круг испытываемых сред, ограниченный теми материалами, из которых можно сформировать цилиндрический образец.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является эластомер, включающий камеру с отверстием, через которое с постоянной скоростью продавливают испытываемый материал, и датчик, создаваемого в камере давления [Перевертов А. С. и др. //Пластические массы, 1969, 1, с. 69] (прототип). Эластомер позволяет определять продолжительность нахождения материала в вязкотекучем состоянии при заданной температуре и сопротивление течению.

Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает полное проскальзывание материала на границе, и следовательно, равномерную по каналу скорость растяжения, что влияет на точность результатов исследований течения растяжения полимерных материалов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение точности результатов исследований течения растяжения полимерных материалов.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для определения реологических свойств полимерных материалов, содержащем корпус со съемной крышкой, опору и установленную в ней фильеру, фильера выполнена из пористого проникающего материала и имеет специальный профиль, определяемый формулой где х - координата, направленная вдоль оси фильеры; l - длина фильеры; R₀, R₁ - начальный и конечный радиусы внутреннего канала.

Данное устройство позволяет исследовать реологическое поведение полимерных материалов при одноосном растяжении, определить реологические константы растягивающего течения путем продавливания исследуемого материала через фильеру специального профиля.

Рассмотрим движение несжимаемой среды в фильере, профиль которой задан формулой Течение рассмотрим в цилиндрической системе координат х, r, ϕ. Считаем, что на границе обеспечивается полное проскальзывание материала. В этом случае для решения задачи можно применить гипотезу плоских сечений, т.е.

где V_x - скорость в сечении х. Из условия постоянства расхода материала через любое сечение получаем соотношение V_x•π•R²(x) = V₀•π•R²₀, (2)
где V₀ - скорость течения материала на входе в фильеру.

С учетом (1) получаем из соотношения (2) компоненту скорости V_x

Радиальную компоненту скорости течения V_r находим из условия несжимаемости [Ильюшин А.А. Механика сплошной среды. - М.: изд-во МГУ, 1971, 245 с.] .

тогда

По соотношениям (3) и (4) определяются компоненты тензора скоростей деформации:

Из выражения (5) видно, что в таком течении отсутствуют девиаторные составляющие тензора скоростей, следовательно, полимерный материал в фильере испытывает одноосное растяжение вдоль оси со скоростью, зависящей от усилия продавливания и коэффициента экструзии, равного отношению радиусов входного и выходного сечений.

Простой вид тензора скоростей деформации (5) обусловлен выбором специального профиля фильеры и условием проскальзывания на границе. Последнее обеспечивается проникновением через пористые стенки фильеры подводимой под давлением смазки. Величина пористости материала определяется по формуле [Белов С. В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1987, с. 12].

П=V_П/V_Т,
где V_П - объем пустот пористого тела; V_Т - полный объем тела.

Эксперименты по использованию жидких смазок в процессе экструзии термопластов с формующими каналами различных пористостей показали, что устойчивый процесс экструзии со смазочной пленкой имеет место в диапазоне пористостей П= 0,18-0,3. При увеличении пористости П>0,3 наблюдается разрушение экструдата из-за повышенного поступления смазки в канал. Уменьшение пористости П<0,18 из-за повышенного гидравлического сопротивления микроканалов пористого материала сопровождается двух-трехкратным повышением давления подаваемой смазки.

На чертеже схематично изображено устройство для определения реологических свойств полимерных материалов.

Устройство для определения реологических свойств полимерных материалов содержит корпус 1 со съемной крышкой 2, опору 3, фильеру из проникающего пористого материала 4, смазочный канал 5, смазочную полость 6, уплотнительные кольца 7 и 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Корпус 1 заполняется исследуемым полимерным материалом, производится монтаж крышки 2, которая связывает корпус с подвижной плитой реверса. Смазка под давлением подается через смазочный канал 5 в смазочную полость 6, проникает через поры фильеры во внутренний канал и создает разделительную смазочную пленку между фильерой и исследуемым полимерным материалом по всей поверхности канала. Одновременно включается первая скорость экструзии, фиксируется усилие продавливания материала через фильеру с каналом специальной формы. Затем изменяется величина скорости и определяется зависимость усилия давления от скорости экструзии, позволяющая определять реологические свойства материала.

Данное устройство позволяет исследовать реологические свойства полимерных материалов в результате измерения силы продавливания через фильеру с определенной скоростью при полном проскальзывании на границе; осуществлять определение реологических параметров для различных типов сред (ньютоновская жидкость, степенная жидкость, нелинейно-вязкая среда, среда с линейной вязкоупругостью); обеспечить полное проскальзывание материала на границе для исследования течения растяжения полимерных материалов; проводить исследования реологических свойств на малых объемах материала.

Формула изобретения

Устройство для определения реологических свойств полимерных материалов, содержащее корпус со съемной крышкой, опору и установленную в ней фильеру, отличающееся тем, что фильера выполнена из пористого проникающего материала и имеет специальный профиль, определяемый формулой

где х - координата, направленная вдоль оси фильеры;
l - длина фильеры;

R₀, R₁ - начальный и конечный радиусы внутреннего канала.

РИСУНКИ

Рисунок 1