background image

Instytut In

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych 

 

Pomiar lepko

 

ci tworzyw sztucznych 

 

Pomiar lepko

!

ci tworzyw sztucznych 

1. Cel 

"

wiczenia 

Celem 

#

wiczenia jest zapoznanie si

$

 ze zjawiskiem lepko

 

ci tworzyw sztucznych, metodami jej 

pomiaru oraz okre

 

lenie granicznej liczby lepko

 

ciowej wybranego polimeru poprzez pomiar lepko

 

ci 

roztworu w wiskozymetrze Ubbelohdego. 

2. Okre

%

lenie podstawowych zagadnie

&

 

Jedn

'

  z  najbardziej  charakterystycznych  wła

 

ciwo

 

ci  zwi

'

zków  wielkocz

'

steczkowych, 

zwłaszcza zbudowanych z cz

'

steczek ła

(

cuchowych, jest szczególnie du

)

a lepko

 *#

 ich roztworów, a 

tak

)

e lepko

 *#

 samych polimerów, gdy wyst

$

puj

'

 w postaci ciekłej, np. oligomery lub nieusieciowane 

)

ywice chemoutwardzalne. Wła

 

ciwo

 *#

 ta wynikaj

'

ca z budowy makrocz

'

steczek i ich st

$)

enia, jest 

stosunkowo łatwa do oznaczenia, mo

)

e wi

$

c by

#

 prostym parametrem do charakteryzowania polimerów 

ciekłych i ich roztworów, a ponadto mo

)

e by

#

 wykorzystywana do oznaczania ci

$)

aru cz

'

steczkowego. 

Okre

 

lenie lepko

 

ci polimeru ma te

)

 istotne znaczenie dla jego przetwórstwa, bowiem wi

'+)

e si

$

 

ono  z  wymuszeniem  przepływu  strugi  tworzywa  w  stanie  stopionym  w  ró

)

nych  elementach  maszyn 

przetwórczych. 

2.1.  Poj

,

cia podstawowe

 

Lepko

-/.

  dynamiczna 

0

  wynika  z  równania  Newtona  dla  cieczy  niutonowskich,  w  których 

wyst

$

puje  w  warunkach 

 

cinania  prostego  warstewek  płynu,  prosta  proporcjonalno

 *#

  pomi

$

dzy 

napr

$)

eniem stycznym i pr

$

dko

 

ci

'

 

 

cinania: 

 

γ

τ

η

ηγ

τ

=

=

 

 

gdzie: 

1

 – miara odkształcenia płynu wywołanego przez napr

$)

enie styczne 

2

,  

          

3

 – współczynnik proporcjonalno

 

ci lub lepko

 *#

 dynamiczna. 

Jednostk

'

 lepko

 

ci dynamicznej jest [Pa * s]. 

Przeliczanie  lepko

 

ci  dynamicznej  na  charakterystyczn

'

  dla  wielu  procesów  ruchowych 

lepko

-/.

 

kinematyczn

4

 nast

$

puje według równania 

 

ρ

η

η

=

k

 

 

gdzie: 

3

k

 – lepko

 *#

 kinematyczna [mm

2

 /s], 

           

3

 – lepkos

#

 dynamiczna [mPa * s] 

           

5

 – g

$

sto

 *#

 badanej cieczy [g / cm

3

]

  

 

 

 

 

 

Lepko

-/.

  wzgl

6

dna 

0

wzgl 

jest  stosunkiem  lepko

 

ci  dynamicznej  danego  roztworu  do  lepko

 

ci 

dynamicznej rozpuszczalnika (ciecz wzorcowa) 

 

background image

789:;<=>?:@A

BC=C<=:DE@A

Instytut In

F

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych 

 

Pomiar lepko

G

ci tworzyw sztucznych 

 

0

1

η

η

η

=

wzgl

 

 

gdzie: 

H

1

 – lepko

G*I

 roztworu badanego, 

H

0

 – lepko

G*I

 rozpuszczalnika. 

 

Lepko

J/K

 wła

J

ciwa 

L

włas

 jest miar

M

 wzrostu lepko

G

ci roztworu w stosunku do lepko

G

ci rozpuszczalnika 

przed rozpuszczeniem w nim danego zwi

M

zku 

 

1

0

0

1

=

=

wzgl

wlas

η

η

η

η

η

 

 

 

Lepko

J/K

 zredukowana 

L

zred

  jest stosunkiem lepko

G

ci wła

G

ciwej do st

NO

enia roztworu 

 

C

wlas

zred

η

η

=

 

 

Graniczna liczba lepko

J

ciowa GLL jest stosunkiem lepko

G

ci wła

G

ciwej do st

NO

enia roztworów C tak 

rozcie

P

czonych, by nie wyst

N

pował kontakt mi

N

dzy s

M

siednimi cz

M

steczkami. 

[ ]

C

wlas

c

η

η

0

lim

=

 

 

Lepko

G*I

 wła

G

ciwa roztworu danego polimeru w okre

G

lonym rozpuszczalniku i temperaturze zale

O

y od 

ci

NO

aru  cz

M

steczkowego  polimeru.  W  przypadku  roztworów  o  st

NO

eniu  tak  małym, 

O

e  cz

M

steczki 

polimeru przestaj

M

 na siebie oddziaływa

I

, zale

O

no

G*I

 lepko

G

ci od masy cz

M

steczkowej opisuje równanie 

Marka – Houvinka 

 

[

Q

] = KM

R

 

 

gdzie: [

H

] – graniczna liczba lepko

G

ciowa  

           K, 

S

 – stałe oznaczone do

G

wiadczalnie dla poszczególnych polimerów w okre

G

lonych       

                     rozpuszczalnikach i temperaturze  

W  praktyce  cz

N

sto,  aby  oszacowa

I

  ci

NO

ar  cz

M

steczkowy  polimeru  dokonuje  si

N

  pomiaru 

granicznej liczby lepko

G

ciowej. Znaj

M

c jej warto

G*I

 oraz parametry K i 

S

 dla danego układu polimer - 

rozpuszczalnik mo

O

na obliczy

I

 tzw. lepko

G

ciowo-

G

redni ci

NO

ar cz

M

steczkowy.   

3. Metody 

Pomiaru lepko

G

ci dokonuje si

N

 przy pomocy wiskozymetrów, przy czym ich budowa oraz sposób 

pomiaru ró

O

ni

M

 si

N

 nieco. Do najpopularniejszych nale

OTM

wiskozymetr Höpplera, 

wiskozymetr Ubbelohdego 

3.1. Metoda Höpplera 

3.1.1. Zakres stosowanie metody 

Wiskozymetry Höpplera stosowane s

M

 do oznaczania lepko

G

ci dynamicznej emulsji, dyspersji i 

roztworów 

O

ywic,  ciekłych  produktów  naftowych  i  innych  nie  agresywnych  chemicznie  produktów 

ciekłych w zakresie temperatur od -60 do+120°C. 

background image

UVWXYZ[\]X^_

`a[aZ[Xbc^_

Instytut In

d

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych 

 

Pomiar lepko

e

ci tworzyw sztucznych 

 

3.1.2. Opis metody 

Zasada  pomiaru  polega  na  zmierzeniu  czasu  opadania  kulki  w  rurze  szklanej,  wypełnionej 

badan

f

  ciecz

f

.  Przezroczysty  płaszcz  termostatuj

f

cy  umo

g

liwia  obserwacj

h

  spadaj

f

cej  kulki.  Przed 

dokonaniem  pomiaru  nale

g

y  doprowadzi

i

  układ  do  wymaganej  temperatury  –  zgodnie  z  PN-  przez 

obracanie płaszcza o k

f

t 180 

0

 dla lepszej wymiany ciepła.  

Lepko

e*i

 dynamiczn

f

 w [mPa*s] w temperaturze pomiaru oblicza si

h

 z poni

g

szego wzoru: 

 

η

=t(

ρ

1

ρ

2

)K

 

gdzie:

 

 

η—lepko

e*i

 dynamiczna w [mPa*s]; 

 

t—czas opadania kulki w [s]; 

 

ρ

1

—g

h

sto

e*i

 kulki w [g/cm

3

]; 

 

ρ

2

—g

h

sto

e*i

 cieczy w temperaturze pomiaru w [g/cm

3

]; 

 

K—stała kulki [mPa*s/g]; 

3.1.3. Przyrz

j

d pomiarowy 

Wiskozymetr Höpplera składa si

h

 z nast

h

puj

f

cych elementów. 

•  zewn

h

trzny,  cylindryczny  płaszcz  szklany  z  metalowymi  pokrywami,  z  otworem  dla 

termometru w pokrywie górnej; 

•  rura szklana, otoczona płaszczem szklanym termostatuj

f

cym. Na rurze naniesione s

f

 dwie 

kresy A i B w odległo

e

ci 100 mm od siebie, odległo

eki

 ta podzielona jest trzeci

f

 kres

f

 na 

połow

h

•  poziomica; 

•  statyw ze 

e

ruby i 

e

ruby poziomuj

f

ce; 

•  komplet kulek metalowych i szklanych o podanych fabrycznie g

h

sto

e

ciach, 

e

rednicach  

     i stałych K; 

3.1.4. Wykonanie pomiaru 

Przed  pomiarem  wiskozymetr  nale

g

y  ustawi

i

  tak,  aby  p

h

cherzyk  powietrza  w  poziomicy 

znajdował si

h

  dokładnie  na 

e

rodku  okienka.  Do  rury  pomiarowej  wprowadza  si

h

  badany  produkt  do 

poziomu 25 mm poni

g

ej górnej kraw

h

dzi, nale

g

y przy tym unika

i

 powstawania p

h

cherzy powietrza w 

cieczy. Nast

h

pnie przy pomocy p

h

sety wprowadza si

h

 do rury pomiarowej metalow

f

 kulk

h

 odpowiedni

f

 

do g

h

sto

e

ci i lepko

e

ci badanego produktu. Optymalny czas opadania kulki mi

h

dzy kreskami powinien 

wynosi

i

 200-600 s, je

e

li wynosi 60s lub mniej nale

g

y u

g

y

i

 kulk

h

 o mniejszej 

e

rednicy. Po wykonaniu 

wszystkich tych czynno

e

ci rur

h

 pomiarow

f

 nale

g

y zamkn

f+i

 wkr

h

caj

f

c odpowiedni korek.  

Bezpo

e

rednio  przed  pomiarem  ciecz  termostatuj

f

c

f

  nale

g

y  doprowadzi

i

  do  temperatury 

pomiaru wła

e

ciwej dla danego produktu. Nast

h

pnie wiskozymetr nale

g

y obróci

i

 dwukrotnie o k

f

t 180

0

 

aby zmiesza

i

 ciecz za pomoc

f

 kulki. Po czym doprowadzi

i

 kulk

h

 do górnego poło

g

enia i pozwoli

i

 jej 

opada

i

 do dolnego poziomu mierz

f

c czas przepływu kulki mi

h

dzy poziomami A i B (czas liczy si

h

 od i 

do momentu styku najni

g

szego punktu kulki z kraskami). Pomiar powtarza si

h

 pi

h

ciokrotnie, przy czym 

pomiar pierwszy ma charakter orientacyjny.     

 

3.2. Metoda Ubbelohdego 

 

3.2.1. Zakres stosowania metody 

Wiskozymetry  Ubbelohdego  nale

gTf

  do  grupy  najprostszych  wiskozymetrów  kapilarnych,  dla 

których cech

f

 charakterystyczn

f

 jest obj

h

to

e*i

 i 

e

rednica kapilary (1 – 1,5 mm) o długo

e

ci 50 – 150 mm. 

Stosowane  s

f

  do  oznaczania  liczby  lepko

e

ciowej  i  granicznej  liczby  lepko

e

ciowej  polimerów  w 

roztworach rozcie

l

czonych. 

background image

mnopqrstupvw

xysyrspz{vw

Instytut In

|

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych 

 

Pomiar lepko

}

ci tworzyw sztucznych 

 

 

3.2.2. Opis metody 

Zasada pomiaru polega na zmierzeniu, przy u

~

yciu stopera, czasu przepływu badanej cieczy 

przez kapilar



, na której zaznaczone s

€

 dwie kreski A i B. Jest to czas w którym menisk mija kolejno 

dwie  kreski  A  i  B.  Pomiar  powtarza  si



  kilkakrotnie.  W  ten  sam  sposób  post



puje  si



  z  ciecz

€

 

odniesienia  w  przypadku  roztworów  z  rozpuszczalnikiem.  Przed  wykonaniem  pomiaru  wiskozymetr 

umieszcza si



 w termostacie wypełnionym wod

€

 i nastawionym na wła

}

ciw

€

 temperatur



.  

Lepko

}*

 wzgl



dn

€

 oblicza si



 ze wzoru: 

 

2

1

t

t

wzgl

=

η

 

 

gdzie: t

1

, t

2

 – czasy przepływu odpowiednich cieczy o lepko

}

ciach 

‚

1

 i 

‚

2

 

3.2.3. Przyrz

ƒ

d pomiarowy 

 

W skład stanowiska do pomiaru granicznej liczy lepko

}

ciowej wchodz

€

 nast



puj

€

ce przyrz

€

dy: 

•  Ła

„

nia wodna termostatowana  

•  Wiskozymetr Ubbelohdego 

•  Uchwyt wiskozymetru 

•  Przyrz

€

dy pomocnicze: termometr, gruszka gumowa, stoper 

 

3.2.4. Wykonanie pomiaru 

Do przeprowadzenia 



wiczenia sporz

€

dzi



 roztwór badanego polimeru w rozpuszczalniku w stosunku: 

0,25g polimeru na 50ml rozpuszczalnika dobranego tak, aby do momentu rozpocz



cia pomiaru polimer 

uległ  całkowitemu  rozpuszczeniu.  Do  drugiej  za

}

  kolby  wprowadzi



  czysty  rozpuszczalnik  (ciecz 

wzorcowa).  Rozpuszczalnik  powinien  by



  dobrany  tak,  aby  czas  jego  przepływu  w  kapilarze  nie  był 

dłu

~

szy ni

~

 120s. Bezpo

}

rednio przed pomiarem obie kolby z odczynnikami termostatowa



 przez ok. 1 

godzin



  w  naczyniu  z  wod

€

,  w  której  dokonywany  b



dzie  pomiar.  Badania  przeprowadza  si



  w 

temperaturze zgodnie z PN, wła

}

ciwej dla danego układu polimer - rozpuszczalnik. 

Ciecz badan

€

 (w pierwszej kolejno

}

ci czysty rozpuszczalnik) wprowadzi



 do wiskozymetru, do poziomu 

oznaczonego na przyrz

€

dzie (pomi



dzy dwoma kreskami zaznaczonymi na zbiorniczku wiskozymetru), 

umie

}

ci



 wiskozymetr w ła

„

ni w pozycji pionowej, po czym za pomoc

€

 gumowej gruszki badan

€

 ciecz 

zaci

€

gn

€+

  do  kapilary  pomiarowej  ok.  5  mm  powy

~

ej  górnej  kresy.  Pomiar  czasu  rozpocz

€+

  wraz  z 

przej

}

ciem wypukło

}

ci menisku cieczy przez górn

€

 kresk



, a ko

…

czy



 w momencie osi

€

gni



cia przez 

poziom  cieczy  dolnej  kreski.  Czynno

}

ci  powtórzy



  dla  roztworu  polimeru.  Pomiaru  dokonywa



 

kilkakrotnie dla ka

~

dego odczynnika, a

~

 uzyska si



 co najmniej dwa kolejne pomiary czasu zgodne w 

granicach 0,25%. 

4. Opracowanie

 

wyników 

Na podstawie wyników otrzymanych z pomiarów czasu przepływu roztworu badanego polimeru 

oraz  czystego  rozpuszczalnika  jako  cieczy  wzorcowej  nale

~

y  obliczy



  warto

}*

  granicznej  liczby 

lepko

}

ciowej [

‚

] w oparciu o równanie Salomona – Ciuty: 

 

[ ]

wzor

wlas

C

η

η

η

ln

2

=

 

 

gdzie: [

‚

] – graniczna liczba lepko

}

ciowa [dl/g] 

            C – st

~

enie polimeru w rozpuszczalniku,  

            C= 2m ; m - masa próbki polimeru w roztworze) 

background image

†‡ˆ‰Š‹ŒŽ‰

‘’Œ’‹Œ‰“”

Instytut In

•

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych 

 

Pomiar lepko

–

ci tworzyw sztucznych 

 

            

—

wzor

 – lepko

–*˜

 wzorcowa,  

            

—

wzor

 = t / t

0

 ; 

t – czas przepływu badanego roztworu, t

0

 – czas przepływu czystego   

            rozpuszczalnika 

            

—

włas

 – lepko

–*˜

 wła

–

ciwa 

            

—

włas

 = 

—

wzor

 – 1 

5. Literatura 

1.  T. Broniewski, J. Kapko – Metody bada

™

 i ocena wła

–

ciwo

–

ci tworzyw sztucznych, WNT W-wa 

1970 

2.  A.  Bł

š

dzki,  St.  Spychaj  –  Oznaczanie  mas  cz

›

steczkowych  polimerów  i  ich  rozkładu,  PS 

Szczecin 1981 

3.  R. Sikora – Przetwórstwo tworzyw wielkocz

›

steczkowych, PWN W-wa 1987