LEKCIA 4 Deform i REOLOG

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.