Измерители индекса расплава

Эти относительно простые капиллярные вискозиметры (рис. 24) используют главным образом для качественной оценки вязкости расплавов полимеров.

Рис. 24. Схема прибора для измерения индекса расплава.

Полимер расплавляют в цилиндрическом резервуаре, а затем про­давливают (экструдируют) через выходное отверстие посредством плунжера, нагруженного одной или несколькими гирями.

В данном случае выходным каналом служит короткий капилляр (отношение L/D< 10/1). Длины этого капилляра недостаточно для того, чтобы обеспечить граничные условия установившегося и ламинарного течения между входом и выходом из капилляра. Для преодоления турбулентности на входе в капилляр и для увеличения скорости течения образца на выходе системе сообщают соразмерное количество потенциальной энергии (в данном случае – путем приложения нагрузки на плунжер).

Вязкость определяют, измеряя объем экструдированного через капилляр образца за определенный период времени t.

Результаты испытаний расплавов полимеров, полученные на измерителях индекса расплава, могут иметь отклонения в пределах 30% от точных, истинных величин, полученных с использованием капиллярных вискозиметров с высоким отношением L /D.

Ввиду низкой цены измерители индекса расплава все еще широко распространены в промышленности и применяются для испытания полимеров с относительно простым поведением в процессе переработки (таких как полиэтилен или полистирол).

Вискозиметр с падающим шаром

Общеизвестным вискозиметром этого типа является вискозиметр Хепплера (рис. 25), изобретенный в 30-х годах двадцатого века и названный именем изобретателя. Это простой, но, тем не менее, очень точный вискозиметр для измерения вязкости прозрачных систем в диапазоне от газов до жидкостей с низкой или средней вязкостью. Даже сегодня этот вискозиметр используется в промышленности и в исследовательской работе, особенно при измерении низковязких ньютоновских жидкостей, таких как напитки или плазма крови человека.

Рис. 26. Поперечное сечение вискозиметра с падающим шаром.

Стандартный объем образца жидкости для испытания составляет приблизительно 40 мл. Образец (почти всегда это жидкость) помещают в стеклянную измерительную трубку 7, окруженную рубашкой 3 для обеспечения точного контроля температуры с помощью циркуляционного термостата. При проведении измерений трубку располагают с наклоном в 10° по отношению к вертикали. На ней нанесены две кольцевые метки А и В на расстоянии 100 мм друг от друга. Шару 2 дают возможность катиться по стенке трубки сквозь жидкий образец. При движении от исходного положения в начале трубки (скорость v= 0) шар сначала ускоряет движение на участке L_v, а затем приобретает постоянную скорость движения, т.е. движется равномерно. При этом реализуется установившееся сдвиговое течение жидкости в серпообразном зазоре вокруг шара. Измеряют время Dt, необходимое для того, чтобы шар прошел расстояние между двумя кольцевыми метками А и В. Измеренную величину Dtиспользуют для расчета вязкости в абсолютных единицах мПа•с. Этот прибор калибруется с помощью ньютоновских жидкостей с известной вязкостью.

Вязкость рассчитывают по уравнению

η=k ∆t

где к – калибровочный коэффициент прибора, мПа • см³/г; p₁ - плотность шара, г/см³; p₂ – плотность образца жидкости, г/см³; ∆t - промежуток времени, необходимый для того, чтобы шар прошел расстояние ∆L, с.

Чтобы решить вопрос о том, насколько успешно данный прибор может быть применен как для ньютоновских, так и для неньютоновских жидкостей, имеет смысл подробнее рассмотреть сечение трубки и шара, в частности серпообразный зазор, через который проходит жидкость.

Наклон трубки в 10° дает гарантию того, что шар всегда касается только одной ее стороны. Размер зазора изменяется вдоль окружности сечения шара от у до у₄. Поскольку скорость сдвига связана с отношением скорости течения к величине зазора, то очевидно, что постоянная скорость сдвига по всему серпообразному зазору недостижима. Когда шар падает и жидкость обтекает его, единой скорости сдвига в зазоре не существует, а имеет место широкий набор этих скоростей.

Вискозиметр с падающим шаром с большим успехом может быть использован для жидкостей, поведение которых не зависит от скорости сдвига, т.е. только для ньютоновских жидкостей. Неопределенные условия течения в серповидном зазоре не дают возможности использовать вискозиметр с падающим шаром для измерения вязкости неньютоновских жидкостей, для которых любая величина вязкости является неопределенной, если она не связана с соответствующей скоростью сдвига.