Upload
api-19966982
View
162
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Физични (деформационнни) състояния на полимерите
• Деформация
- Обратима деформация (пъргава или еластична)
- Остатъчна (пластична) деформация
ΔL ε =L-L0
L0
E =
σ = FA
L0
F : СилаA : Напречно сечениеL : УдължениеL0 : Начална дължинаσ : Якостε : ДеформацияE : Модул на еластичностσ и Е зависят от Т и природата на тялото
σε
Зависимост на деформацията от температурата при нискомолекулните вещества
ε
ТТТ Тg ТВТ
ε
Т
ε = f (T) при σ = consкристално тяло
аморфно тяло
ТВЪРДО
течно
стъкло
течно
Зависимост на деформацията от температурата при полихомолози с различна р
ε
Т
р1 р2 р3 р4 р5 р6 р7 р8 р9
Р1 < Р2 < Р3 ............ Р9 – степен на полимеризация
С нарастване на ММ вискозитетът нараства и между стъкловидното и течното състояние се възниква ново високоеластично състояние.
течно състояние
ε = f (T) при σ = cons
Термомеханична крива на термопластичен полимер
Ткрх Тg Твт
(ТТ)
Трзл
ε = f (T) при σ = const
стъкловидно
високоеластично
вискозно-течно (реологично)
ε
еластична деформация
високо-еластична
вискозно течене
• Стъкловидно състояние – полимерът има отнасяния на твърдо тяло с малка и обратима деформация. Сегментите и макромолекулите са замразени (неподвижни).
• Весокоеластично - полимерът има отнасяния на меко (каучукоподобно) тяло с голяма и обратима деформация, която малко зависи от Т. Наблюдава се висока сегментна подвижност
и конформационни промени, разгъване на молекулите без преместване в пространството.
• Вискозно-течно (реологично) – полимерът тече като вискозна течност. Интензивно движение на молекулите, промяна на конформациите, промяна на центъра на тежестта. Деформацията е необратима (пластична).
• Във фазово отношение и трите физични състояния се намират в течно фазово състояние, а в агрегатно – твърдо и течно.
• Високомолекулните съединения могат да съществуват в четири състояния: три физични (деформационни), аморфно (течно) и едно кристално.
octanebig1.mpeg
Вискозно-течно (реологично) състояние
Реология (Rheologie) на полимерите
• От гръцки:rheos = течене • Реологията е наука за теченето.
• Теченето е процес на непрекъснато деформиране на един материал под въздействието на външна сила (тангенциално, преплъзващо напрежение). Теченето при полимерите е съпроводено с едновременното реализиране на високоеластични (обратими) и пластични (необратими) деформации, свързани с вискозните свойства на системата. • Теченето се описва с величините: напрежение, деформация и скорост на деформация• Основните проблеми, които реологията решава са:
- как материалът реагира при определена деформация- описание, измерване и обяснение на протичащите
необратими деформационни процеси
• При полимерните стопилки се наблюдава ламинарно течене, при което течността се премества поради приплъзване на отделни паралелни слоеве в посока на външната сила F
• Приложената външна сила създава тангенциално, срязващо, или приплъзващо (shear strength) напрежение t = F/A
• Теченето се осъществява посредством триене между слоевете (вискозитет η – коефициент на вътрешно триене при течене ). С нарастване на η скоростта на течене на различните слоеве се уеднаквява.
• Скоростта на приплъзване на слоевете се нарича скорост на срязваща (ъглова) деформация γ (shear rate)
• t = η γ. При Нютоновите течности липсват структурни промени на молекулите и η остава постоянно при нарастване на γ .
• При полимерните стопилки приложената външна сила и топлинните движения водят до редуциране на междумолекулните взаимодействия и необратими конформационни промени, поради което η силно зависи от тангенциалното напрежение и скоростта на ъгловата деформация (η намалява с нарастване на γ) .
• Въртене и преплъзване на молекулите
• Промяна на местата на молекулите
• Разсейване на кохезионната енергия чрез разхлабване на междумолекулните връзки (водородни, Ван-дер- валсови)
Скорост на течене и скорост на преплъзване
vx = vx(y)
y
xСкорост на срязваща (тангенциална) деформация:
h
dvdy
Плочка плъзгаща се със скорост v
Неподвижна плочка
Срязващо (тангенциално)
напрежение:A
F
hv
dydv
dydtds
Профил на скоростта (градиент) на течене
V - скоростта на течене на
разстояние y от неподвижната стена
F
Отнасяния при течене при Нютонови флуиди (течности)
Скорост на ъглова (тангенциална) деформация
Та
нге
нциа
лно
на
преж
ени
е
η = вискозитет [Pa∙s] коефициент на пропорционалн
ост = срязващо (тангенциално) напрежение [Pa]
= скорост на срязваща (ъглова) деформация [s-1]
зависи от Т и не зависи от γ
• Нютонова течност (вода, сок, мляко, водка)• Съществува линейна зависимост между t и γ
v
y0
F
t = η γ = (F/A) / (V/h)
Не-нютонови флуиди
• Вискозитетът на тези материали зависи (се определя) от температурата Т и скоростта на ъгловата деформация γ. Промяната на γ води до промяна и на η
• Високата концентрация и ниската Т предизвикват или повишават не-нютоновите свойства на материала. При някои вид от тези материали η зависи и от продължителността и скоростта (честотата) на външното въздействие. Този тип течности се наричат “тиксотропни”.
• Когато η не-нютонови флуиди не зависят от времето на външно въздействие, те се дефинират като “срязващо-изтъняващи, разреждащи” (shear thinning) и “срязващо-удебеляващи ,сгъстяващи” (shear-thickening).
• Вискозитетът при срязващо-изтъняващи течности намалява с нарастване скоростта на ъгловата деформация γ . Увеличаването на скоростта води до деформиране и пренареждане на частиците. Пример: крем, концентрирани сокове, шампоан, течни подправки за салата термопластични полимери.
• Вискозитетът при срязващо-одебеляващи материали нараства с увеличаване скоростта на ъгловата деформация γ. Пример: мокър пясък, качамак.
Скорост на ъглова (тангенциална) деформация
Тан
генц
иал
но н
апре
жен
ие
срязващо-одебеляващи (сгъстяващи) shear-thickening
срязващо-изтъняващи, (разреждащи)shear thinning (структурен вискозитет)
Нютонова течност
Термопластичните полимери притежават структурен вискозитет
.
Криви на течене на различни флуиди
Тан
ген
ци
алн
о н
апр
ежен
ие
t
log
log
Криви на преплъзване Крива на вискозитета
Скорост на ъглова (тангенциална) деформация
.
.
.
срязващо-изтъняващи, (разреждащи)shear thinning (структурен вискозитет)
Нютонова течност
Нютонова течност
гранули
шнек
Отрез на потока:
• Паралелно течене
• Громена на скоростта на течене в нормално направление
Профил на скоростта на срязваща (тангенциална) деформация при преработване на полимерни материали
• изравняване скоростта на потока
• надлъжно течене
Полимерна стопилка
Профил на стопилката при леене под налягане
Влияние на γ върху η и морфологията на полимерната стопилка във формата (матрицата)
γ 1 > γ 2 > γ 3 > γ 4
γ 1γ 2 γ 3
γ 4
Профил на налягането при Нютонови течности и полимерни стопилки (свиваемост)
Plastics also share another property that non-Newtonian materials do not. Plastics are compressible. The two figures depict the non-compressibility of water and the compressibility of polymers.