Instytut In

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Pomiar lepko

ci tworzyw sztucznych

1

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)

789:;<=>?:@A

BC=C<=:DE@A

Instytut In

F

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Pomiar lepko

G

ci tworzyw sztucznych

2

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.

UVWXYZ[\]X^_

`a[aZ[Xbc^_

Instytut In

d

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Pomiar lepko

e

ci tworzyw sztucznych

3

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.

mnopqrstupvw

xysyrspz{vw

Instytut In

|

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Pomiar lepko

}

ci tworzyw sztucznych

4

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)

†‡ˆ‰Š‹ŒŽ‰

‘’Œ’‹Œ‰“”

Instytut In

•

ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych

Pomiar lepko

–

ci tworzyw sztucznych

5

—

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