uzluga.ru
добавить свой файл
1


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»


Бийский технологический институт (филиал)


И.С. Кононов, Е.А. Кукарина


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ

НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
НА КОНСИСТОМЕТРЕ ГЕППЛЕРА



Методические рекомендации по выполнению лабораторной

работы по дисциплине «Химия и технология наполненных

полимерных композиций» для студентов специальностей 240702 «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», 240706 «Автоматизированное производство

химических предприятий», 130400 «Ракетные двигатели»


Бийск

2007

УДК 662


Кононов, И.С. Определение вязкости наполненных полимерных композиций на консистометре Гепплера: методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Химия и технология наполненных полимерных композиций» для студентов специальностей 240702 «Химическая технология полимерных композиций,
порохов и твердых ракетных топлив», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий», 130400 «Ракетные двигатели» / И.С. Кононов, Е.А. Кукарина.


Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск:

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 14 с.


В методических рекомендациях содержится описание механизма структурообразования в наполненных полимерных композициях, описание и принцип работы консистометра Гепплеpa, подробное описание определения структурной (эффективной) вязкости наполненных полимеров на консистометре Гепплера и обработка результатов. Изложены меры техники безопасности при выполнении лабораторной работы.


Рассмотрены и одобрены на заседании

кафедры «Химическая технология

высокомолекулярных соединений».

Протокол № 4 от 06.04.2007 г.


Рассмотрены и одобрены на заседании

методической комиссии факультета ХТиМ.


Рецензент:

Никитин Р.Г., замдиректора по науке ФГУП «ФНПЦ «Алтай»


©

БТИ АлтГТУ, 2007

1 Теоретическая часть


Многие полимерные композиции относятся к высоконаполненным, грубодисперсным гетерогенным системам, состоящим из дисперсионной среды (полимерное связующее) и дисперсной фазы (наполнитель).

Молекулы, составляющие пограничные слои дисперсных систем, обладают совершенно особыми свойствами, отличными от свойств молекул, находящихся в объеме тела. Причем с увеличением площади удельной поверхности наполнителя влияние молекулярно-поверхностных сил возрастает. То есть чем выше дисперсность, тем больше поверхностная энергия на границе раздела фаз. При диспергировании материала вся производимая против молекулярных сил работа превращается в запас свободной энергии.

Поэтому поверхность раздела двух фаз является источником силового поля вследствие некомпенсированности молекулярных сил в межфазном поверхностном слое.

В соответствии с современными представлениями все двухфазные дисперсные системы в зависимости от величины межфазной поверхностной энергии делятся на лиофильные (с низким значением величины свободной энергии) и лиофобные (с высоким значением межфазной поверхностной энергии).

Лиофильные дисперсные системы являются равновесными, термодинамически устойчивыми, не требующими какой-либо стабилизации. Более того, лиофильные системы способны образовываться в результате самопроизвольного диспергирования фазы благодаря сильно выраженному взаимодействию между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Для них, естественно, отпадает понятие агрегативной неустойчивости.

Лиофобные дисперсные системы характеризуются резко выраженной границей раздела. Свободные молекулярные силы на поверхности лиофобных частиц, не компенсированные окружающей средой, вызывают явную коагуляцию. Агрегативная устойчивость лиофобных систем зависит от дисперсности и концентрации дисперсной фазы, а также вязкости дисперсионной среды и взаимодействия между дисперсной фазой
и дисперсионной средой.

Большинство свойств (агрегативная устойчивость или неустойчивость, прочность, вязкость и др.) дисперсных систем определяется строением и составом адсорбционных и сольных оболочек дисперсионной среды со свойствами, во многом приближающимися к свойствам твердых тел, что характерно для масел, печатных красок, суспензий гидрофильных порошков, битумов и др.

По характеру взаимодействия и прочности возникающие структуры делятся на два резко отличающиеся друг от друга класса:

- коагуляционные (тиксотропно-обратимые), что наиболее характерно для красок, консистентных смазок, паст, битумных материалов, суспензий бентонитовых глин, замазок и т.д.

- конденсационно-кристаллизационные (необратимо-разрушающи-еся)  это строительные материалы, отвержденные резиновые смеси.

Образование коагуляционных структур, сравнительно малопрочных, пластичных, проявляющих ползучесть и способность к эластическим деформациям, обратимым по величине, не связано с образованием новой фазы. Тиксотропные структуры образуются в результате коагуляционного сцепления частиц дисперсной фазы друг с другом слабыми вандерваальсовыми силами через тонкие остаточные прослойки дисперсионной среды. Одним из замечательных свойств этих структур является их тиксотропная восстанавливаемость во времени после разрушения. Подвижность, восстанавливаемость и сравнительно низкая прочность коагуляционных контактов тиксотропной структуры связаны с наличием между частицами в местах сцепления тончайших остаточных прослоек жидкости. Чем тоньше прослойка, тем меньше вызванное ими ослабление сил взаимодействия между частицами, тем прочнее структура, выше значения вязкости и предела текучести.

Конденсационно-кристаллизационные структуры возникают в процессе образования новой твердой фазы при срастании отдельных микрокристаллов или при образовании пространственной сетки полимера за счет химических связей главных валентностей. Они отличаются от коагуляционных структур высокой прочностью, хрупкостью и необратимостью разрушения.

Исследование механизма и закономерностей образования структуры является одной из основных проблем физикохимии поверхностных явлений дисперсных систем. Разработка этой проблемы будет способствовать выяснению механизма структурообразования дисперсных систем, а также механизма разрушения и влияния на эти процессы основных факторов: молекулярной природы дисперсной фазы, адсорбционной природы дисперсионной среды и добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) с целью определения факторов регулирования технологического процесса и получения материалов с заранее заданными свойствами.

Прочность коагуляционной структуры, возникающей в наполненных полимерных композициях, определяется: степенью наполнения, дисперсностью наполнителя, формой его частиц и природой, энергией взаимодействия между частицами наполнителя и молекулами дисперсионной среды, наличием ПАВ.

От формы частиц зависит степень иммобилизации дисперсионной среды и величина энергии взаимодействия между частицами наполнителя по местам возможной концентрации свободной поверхностной энергии.

О влиянии дисперсности и формы частиц наполнителя на прочность структуры свидетельствует тот факт, что для пластинчатых или нитевидных частиц в коллоидных суспензиях бентонитовых глин пространственная сетка возникает при содержании нескольких процентов твердой фазы по объему. Аналогичное гелеобразование образуется для нитевидных частиц в гидрозолях пятиокиси ванадия при содержании даже сотых долей процента твердой фазы по объему.

При значительной степени наполнения число контактов в единице объема увеличивается, что приводит к образованию более прочных структур. Силы, связывающие между собой отдельные частицы, тем больше, чем больше площадь соприкосновения частиц друг с другом.

Если когезия между частицами наполнителя велика, а адгезия наполнителя и полимера мала, то частицы стремятся слипаться. И, наоборот, низкая когезия частиц наполнителя и сильная адгезия наполнителя
и дисперсионной среды содействуют разъединению частиц дисперсной фазы.

Влияние природы наполнителя должно сводиться к различной энергии межмолекулярного взаимодействия между его частицами, а также между частицами наполнителя и дисперсионной средой. Чем она выше, тем необходимо иметь более толстую прослойку полимера для их компенсации. Поверхностно-активные вещества экранируют действие сил межмолекулярного взаимодействия между частицами наполнителя.

Из вышеизложенного следует, что в высоконаполненных дисперсных системах в результате действия вандерваальсовых сил притяжения между частицами наполнителя через тонкие остаточные прослойки дисперсионной среды, а также адсорбционных сил связи частиц наполнителя с молекулами дисперсионной среды, в которой они распределены, образуются коагуляционные структуры.

Оценить энергию взаимодействия частиц наполнителя друг с другом и наполнителя с дисперсионной средой можно с помощью реологических исследований. Реологические свойства высоконаполненных систем характеризуются предельным напряжением сдвига, вязкостью и упругостью. Поскольку они обусловлены наличием структуры
в системе, то академик П.А. Ребиндер предложил называть их структурно-механическими.

В предлагаемой лабораторной работе структурная вязкость определяется на консистометре Гепплера. Этот метод основан на измерении

скорости погружения шарика, насаженного на стержень, в испы-туемом материале под действием заданной нагрузки  напряжения сдвига.

Поскольку эффективная вязкость полимерных композиций зависима от действующего напряжения или скорости деформирования, то сравнивать по уровню вязкости какие-либо композиции можно при условии, если вязкость определена для них при одинаковых значениях скорости деформации или напряжения сдвига.

Для наполненных полимерных композиций отраслевым стандартом (ГОСТ В 84-980-80) установлена скорость деформирования материала на консистометре Гепплера. Стандартной принята такая скорость деформирования, при которой шарик проходит в испытуемом материале путь 0,01 м за 10 с. Соответствующее данной скорости деформирования значение вязкости обозначают η10".


2 перечень применяемых приборов, приспособлений и материалов


2.1 Консистометр Гепплера (общий вид прибора приведен на рисунке 1).



1  измерительный сосуд; 2  испытуемый образец; 3  шаровой
стержень; 4 – термометр; 5 – индикатор; 6  стопорный винт;
7  измерительный механизм; 8 – рычаг; 9 – груз; 10  задерживающая задвижка; 11 направляющий стержень; 12  входной патрубок;
13  накидная гайка; 14  выходной патрубок; 15 – крышка;
16  закрывающая капсула; 17 – баня; 18  установочный винт


Рисунок 1  Консистометр Гепплера


2.2 Датчик Д-Зм с электросекундомером типа ПВ-53л и выключателем типа КВД-3-15.

2.3 Секундомер по ГОСТ-5072-79.

2.4 Термостат марки И-10 или любой другой, обеспечивающий поддержание температуры с точностью до 1 °С и пределом измерения от комнатной температуры до 100 °С.

2.5 Фольга по ГОСТ-618-62 или кольцо бумажное по ГОСТ-892-70.

2.6 Вата техническая по ГОСТ 9412-87.

2.7 Масло трансформаторное по ТУ 380101281-75.

2.8 Ацетон или хлороформ.

2.9 Спирт этиловый технический по ГОСТ 17299-78.

3 устройство КОНСИСТОМЕТРА ГЕППЛЕРА


Консистометр Гепплера является универсальным прибором и может быть применен для определения вязкости, пластичности, эластичности и твердости исследуемых материалов.

Консистометр состоит из бани 17, в крышке которой имеются два гнезда для установки измерительных сосудов 1. Температура воды в бане контролируется с помощью термометра 4 с ценой деления 0,5 0С. Нагрузка на шаровой стержень 3 через направляющий стержень 11 (масса которого с учетом шарового стержня составляет 250 г) создается с помощью грузов 9, подвешиваемых на рычаг 8 с четырьмя штиф-тами.

Нагрузку в 500 г создают насаживанием груза в 250 г на головку направляющего стержня 11. Изменение действующей нагрузки происходит посредством грузов, подвешиваемых на штифты рычага. Величина действующей нагрузки определяется умножением массы груза на соответствующую цифру, выбитую на штифте.

Изменяя плечо рычага и массу груза, нагрузку на направляющий стержень можно постепенно увеличить до 50 кг. Плечо рычага рассчитано так, что массу направляющего стержня с шариком при определении нагрузки не учитывают.

Измерение пути, пройденного шариком, в исследуемом образ-
це 2 производят с помощью измерительного механизма индикатора 5 или датчика Д-Зм с электросекундомером типа ПВ-53л.


4 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ


4.1 Подготовка консистометра к проведению измерений


4.1.1 Перед измерениями проверяют работу направляющих подшипников. Для этого освобождают шток Н, перемещая его вдоль направляющих, убеждаются в свободном, без ощутимого трения движении штока. В противном случае извлекают шток из подшипников
и протирают трущиеся поверхности чистой ветошью, смоченной растворителем (смазка штока не допускается).

  1. В термостат и баню консистометра заливают дистиллированную воду и соединяют их резиновыми шлангами.

  2. Устанавливают основание консистометра по уровню с помощью регулировочных винтов.

  3. Включают термостат. Устанавливают заданную температуру с помощью электроконтактного термометра. Температуру воды в консистометре контролируют лабораторным термометром с погрешностью не более 1 градуса.


4.2 Подготовка образца к проведению измерений


4.2.1 Свинтить закрывающую капсулу 16 с нижнего конца (с резь-бой) измерительного сосуда 1 и вынуть из сосуда крышку 15.

4.2.2 Разровнять навеску исследуемой массы слоем 510 см на металлической или текстолитовой пластине.

  1. Методом последовательного погружения открытого нижнего конца (с резьбой) сосуда в слой массы заполнить измерительный сосуд на 3/4 объема.

  2. Протереть резьбовую часть измерительного сосуда ветошью, смоченной в растворителе.

  3. Вставить крышку 15 в измерительный сосуд 1. Навинтить закрывающую капсулу 16 на нижний конец измерительного сосуда.


4.3 Проведение измерений


4.3.1 Стакан с массой вставляют в отверстие бани консистометра 17. Вставляют в шток стержень с шариком, верхний конец стержня поджимают винтом.

4.3.2 Для замера времени прохождения шариком в массе участка пути (0,01 м) включают в сеть электросекундомер и устанавливают

его в нулевое положение. Допускается замер времени секундомером по ГОСТ 5072-79. При этом перед измерением магнитную головку измерительного механизма 7 штока 2 соединяют с вилкой индикатора 5.

4.3.3 Подбирают нагрузку Р так, чтобы время прохождения шариком пути в 0,01 м составляло при: Р1 = 5÷10 с (τм), Р2 = 10÷20 с (τб), где Р1 и Р2  соответствующие нагрузки на направляющий стержень.

Подбор груза допускается вести на начальном участке пути до 0,005 м. Делают по 2 параллельных измерения при двух нагрузках.


5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ


5.1 Рассчитывают значение вязкости, соответствующее меньшему времени прохождения шариком пути 0,01 м, и значение, соответствующее большому значению времени (более 10 с), по формулам:

,

,

(1)

где Р1  нагрузка, при которой время прохождения пути менее 10 с, Па (Н/м2);

Р2  нагрузка, при которой время прохождения пути 0,01 м составило более 10 с, Па (Н/м2);

τм, τб – время прохождения шариком пути 0,01 м;

К  коэффициент, показывающий соотношения константы шарика Кш и константы прибора (Кпр=100). Для шарика диаметром 0,0127 м Кш=570, К=5,7; для шарика диаметром 0,016 м Кш=100, К=1.


5.2 Вязкость η10", соответствующую скорости перемещения шарика
в массе 0,001 м/с (т.е. путь 0,01 м шарик проходит за 10 с), рассчитывают по формуле:

, (2)


Нагрузка, действующая на шарик:

, (3)

где m – масса груза, кг;

g – ускорение свободного падения, g=9,8 м/с2.

Площадь контактной поверхности шарика с исследуемой массой: S=(πd2/2)/4=0,785d2/2, т.к. сдвиговое усилие действует только на нижнюю часть поверхности шарика, следовательно:

, Па∙с. (4)


6 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ


Категорически запрещается работать на неисправном приборе
и оборудовании.

Термостат должен быть заземлен.

При работе с растворителями руководствоваться правилами работы, изложенными в «Инструкции при работе с растворителями».


СОДЕРЖАНИЕ


1 Теоретическая часть…………………………………………..3


2 перечень применяемых приборов, приспособлений и материалов…………………………… 7


3 устройство КОНСИСТОМЕТРА ГЕППЛЕРА…………………8


4 ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ…… 9


4.1 Подготовка консистометра к проведению измерений……….. 9

4.2 Подготовка образца к проведению измерений……………… 9

4.3 Проведение измерений…………………………………………. 9


5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ……………..… 11


6 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ……………………………………….. 12


Кононов Иван Семёнович

Кукарина Елена Анатольевна


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ НАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА КОНСИСТОМЕТРЕ ГЕППЛЕРА


Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по дисциплине «Химия и технология наполненных полимерных композиций» для студентов специальностей 240702 «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий», 130400 «Ракетные двигатели»


Редактор Соловьёва С.В.

Технический редактор Малыгина Ю.Н.

Корректор Малыгина И.В.

Подписано в печать 05.12.07. Формат 60х84 1/16.

Усл. п. л. 0,81. Уч.-изд. л. 0,88.

Печать – ризография, множительно-копировальный

аппарат «RISO TR -1510»


Тираж 50 экз. Заказ 2007-68.

Издательство Алтайского государственного

технического университета,

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46


Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ.

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ.

659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29