Способ определения технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов

Способ определения технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к способам контроля технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов , предназначенных для переработки в изделия из расплава. Изобретение позволяет упростить определение технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов и расширить сферу его применения на неокрашенные полимерные материалы за счет того, что в предложенном способе в качестве характеристического параметра используют различие дисперсий вязкости расплава испытуемого и гомогенизированного образцов. Определение дисперсии вязкости проводят путем многократного измерения вязкости расплава образцов, равных по объему , на капиллярном вискозиметре при постоянной скорости или при постоянном напряжении сдвига при постоянной температуре, которая на 15°С выше температуры плавления (размягчения) материала , но ниже температуры, вызывающей в нем химические превращения. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (qi)S С 01 Н 31/00 " иы

" " Жл

° -. . ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

П И ГННТ СССР (21) 4391884/05 (22) 15.03.88 (4б) 23.03.91. Бюл. Ф 11 (72) A.A.Поляков, A.О.Григорьев и Л.Л.Сульженко (53) 532.137(088.8) (56) Кассандрова О.H.. Лебедев В.В.

Обработка результатов наблюдений.

М,: Наука, 1970, с.95, Авторское свидетельство СССР

И" 12б7213, кл. G 01 М 11/00, 1985, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОИ НЕГОМОГFHHOCTH ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к способам контроля технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов, предназначенных для переработки в изделия из расплава. Изобретение позволяет упростить определеИзобретение относится к способам контроля качества пластмасс, в частности к определению технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов, предназначенных для переработки иэ расплава в изделия, и может быть использовано для определения технологической негомогенности различных термопластичных полимерных материалов, полимерных смесей и композиций, выбора оборудования для смешения и гомогенизации, выбора режима работы гомогениэирующего оборудования.

2 ние технологической негомогенности термопластичных полимерных материалов и расширить сферу его применения на неокрашенные полимерные материалы за счет того, что в предложенном способе в качестве характеристического параметра используют различие дисперсий вязкости расплава испытуемого и гомогенизированного образцов. Определение дисперсии вязкости проводят . путем многократного измерения вязкости расплава образцов, равных по объему, на капиллярном вискозиметре при постоянной скорости или при постоянном напряжении сдвига при постоянной температуре, которая на 15 С выше температуры плавления (размягчения) материала, но ниже температуры, вызывающей в нем химические превращения.

2 табл, С::

Целью изобретения является упрощение способа и расширение сферы его применения.

Предлагаемый способ может быть осуществлен на любом капиллярном вискозиметре, позволяющем измерять вязкость расплавов в выбранном интервале напряжений и скоростей сдвига. Для повышения чувствительности способа предпочтительно использование капилляров малых диаметров и длин.

Образцы для испытаний не требуют специальной подготовки и могут иметь любую форму (крошка, гранулы, поро3 63676 шок, пленка и т,п.), обеспечивающую их загрузку в камеру вискозиметра.

Температуру в экструзионной камере вискозиметра устанавливают не менее чем на 15-20 С выше температуры плавления (размягчения) полимерного материала, но не более температуры его разложения.

Статистически достоверный набор данных может быть получен при числе проб не менее 25-30, поэтому число единичных измерений вязкости при каждом пропускапии должно составлять 30, Объем гыдавливаемой при таком единичном измерении порции расплава следует выбирать равным 0,1-10 объемам капилляра.

Образцы испытуемого полимера в вице гранул. крошки, порошка и т.п, 20 помещают в нагретую до температуры испытаний экструзионяую камеру вискозиметра, выдерживают в ней в течение .зремени, необходимого для расплавления и равномерного прогрева образца 25 до температуры испытания, задают определенное давление B камере вискозиметра или скорость движения поршня, соответствующие выбранным напряжению или скорости сдвига, и пропускают рас- gp плав через капилляр вискозиметра, проводят тридцать единичных измерений вязкости расплава путем определения объемного расхода или давления экструзии, причем во всех тридцати измерениях пропускают порции расплава равпогo объема.

Вязкость расплава единичной порции пол Гмера Р рассчитывают по омуле

40 ! г8). (1) g=— р,)2(п-1) (3) Испытание проводили на капиллярном гискозиметре постоянного давления.

Температура испытания 180 С (температура размягчения 140 С), напряжение о сдвига O,ll МПа. Выдержка при темпера туре испытаний для расплавления и равномерного прогрева образца 30 мин.

Расплав пропускали через капилляр вискозиметра длиной 10 мм и диаметром

1,07 мм, Давление экструзии равнялось

4 МПа, что соответствовало выбранному постоянному напряжению сдвига

0,1) МПа. Ддя применяемого вискозиметра постоянного давления при единичном измерении вязкости расплава экспериментально определяемой величиной являлось время истечения t, порции расплава объемом V = 0,004 см, по ко3 торому рассчитывали объемный расход

Q = V/t . Часть измеренных в опыте

) l величин приведена ниже в табл.! ° зО где где D — диаметр капилляра, и;

L — длина капилляра, м; (!, — обьемный расход в процессе

1 3 измерения, м /с °

Р— давление экструзии в пропесI се измерения, . Па.

Значение дисперсии вязкости О вычисляют по формуле

2: (p,-p ) (2) среднее арифметическое зна1 чение вязкости расплава образца, рассчитанное из данных единичных измерений, Па ° с; и — число. единичных измерений.

Проводят гомогенизацию испытуемого материала любым известным споеобом (путем многократной грануляции, длительного смещения в смесителях, многократного пропускания через капиллярный вискозиметр и т.п.), исключающим вместе с тем химические изменения в материале (деструкция, сшивка, разложение и т.п.) °

После этого загружают в камеру вискозиметра эталонный гомогенизированный образец материала, аналогичным образом определяют 30 единичных порций расплава, рассчитывают дисперсию вязкости (g ) и погрешность определения дисперсии вязкости (g5) эталонного образца.

Погрешность определения дисперсии вязкости Д вычисляют по формуле

Вычисляют разность дисперсий вязкости испытуемого и эталонного гомо- . генизированного материала. В том случае, когда величина этой разности превьш ает погрешность опредеИ 9 ления дисперсии вязкости (Д8), полимерный материал является негомогенным.

Пример 1. Испытывали полистирол суспензионный оптического назначения (вязкость расплава 1,) 10 Па с

Ф при )80 С и напряжении сдвига

0 11 МПа). Образец представлял собой гранулы размером 3-4 мм.

5 1636765

Расчет единичных значений вязкости л..проводили по формуле (1): 1

128 L Q 128 L V 5

10,6 ° 1О Па с; янное напряжение сдвига 0,06 МПа; применялся капилляр;вискозиметра диаметром 2,2 мм и длиной 10 мм; объем единичной порции расплава при измерении

0,008 см . Результаты приведены в

3 табл. 2.

Pã= ll,2 10 Па с;

10 — 11,6 «10 Па с.

Среднеарифметическое значение вязкости

1=

10,9 -10 Па ° с.

Для полученных значений вязкости рассчитывали дисперсию вязкости по формуле (2) (- 2) и

20 — 3,68 10 (Па с1, 45

Пример 2. Испытывали фторопласт марки Ф-4МБ (вязкость расплава

3,1 ° 10 Па с при температуре 300 С и напряжении сдвига 0,06 МПа). Испытания и расчет экспериментальных дан- 50 ных проводили по примеру 1, но дополнительная гомогениэация проводилась путем восьмикратной грануляции на червячном грануляторе БФ-40 с температурой по зонам, С: I — 220; II. — 340 ;

IV — 375. Диаметр червяка гранулятора

40 мм,-отношение длины к диаметру 20, скорость вращения червяка 5 об/мин; температура испытаний 300 С, постоПосле этого образец этого же материала гомогениэировали 4 кратным пропусканием через капнллярный вискозиметр 25 при тех же условиях и полученный эталонный экструдат разрезали на куски размером 5-7 мм, помещали в экструзионную камеру и повторяли испытание.

Расчеты имели вид: 30

9,0 10 Па-с;

10,3 10 Па с;

0 г— 10,9 10 Па с;

= 2,36 10 (Па с); аа = = 0,31.10 (Па с).

2 (n-1)

Поскольку (1 2 — Уэ ) = 1 32.10 Па ° с, 40 т. е. (Юц — У )) 4Д) 4 ° 10 (Па. с), то образец является негомогенным. Результаты приведены в табл.2. (22 12 — 0 ) > Ь0 свидетельствует о нез гомогенности полимера.

Пример ы 3-5. Испытывали фторопласт марки Ф-4МБ (вязкость расплава 3,2 10 Па с при 300 С и напряжении сдвига 0,06 МПа), прошедшем двухкратную (пример 3), четырехкратную (пример 4), шестикратную (пример 5) грануляцию на червячном грануляторе БФ-40 с температурой по зо" нам, С: I — 220; II- 270; III

340; IV — 375. Диаметр червяка гранулятора 40 мм, отношение длины к диаметру 20, скорость вращения червяка

5 об/мин. Испытания и расчет проводили по примеру 2, Результаты приведены в табл.2.

В примере 3 полимер не является гомогенным ((Il > — 0 ) ), а в примерах 4 и 5 величины разности дисперсий исходных испытуемых и эталонного гомогенизированного образца меньше погрешности определения дисперсии, что указывает на гомогенность образцов полимера.

П р е р 6. Испытывали полиэтилен высокого давления (ПЭВД) марки

15303-003 с вязкостью расплава 1,4п к10 Па с (140 С, напряжение сдвига

0,13 МПа). Испытания, гомогенизацию и расчет экспериментальных данных проводили по примеру 1, но температура испытаний была 140 С, постоянное напряжение сдвига 0,13 NIa.

Результаты приведены в табл.2. 2 в э (Д о свидетельствует о го— могснности полимера.

Пример 7. Испытывали смесь

ПЭНД марки 405-01 с вязкостью расплава 9,8 10 Па с (150 С, напряжение

3 сдвига 0,08 MHa) и 3 мас.X суперкон- центрата красителя марки СКП 204 (цвет оранжевый) с вязкостью расплава 3,4110 Па .с (150 С, напряжение сдвига 0,08 МПа) . Смешение проводилось встряхиванием вручную 100 г гранул ПЭНА.и 3 г крошки СКП-204 при комнатной температуре в течение 5 мин и последующим пропусканием через капилляр вискозиметра при 150 С и напряжении сдвига 0,08 МПа. Испытания и

1636765 расчет экспериментальных данньгл проводили по пример 1, но дополни remную гомогенизацию проводили путем трехкратного пропускания через капилляр инскоэиметра, температура и напряжение сдвига при гомогенизации и испытаниях составляли 150 С и 0,08 МПа соответственно., Результаты приведены в табл.2, 10

Так как 1 -:6э ";:64, то смесь является негомогенной, Однородность цвета образца определяли по полному цветовому различию

11Е y v a +р измеренному H соответствии 15

Q» О У с методикой (6) . Для исходной смеси

10,09., что больше величины EI,, д . = 5, характерной BJiR орНорор,— ного цвета„т, е: смесь так же, как и по реологической методике, является него- 20 могенной, Для дополнительно гомогенизиронанного образца 6E, + g =- 0,92, т.е. цЕ I a@+ gw < 5, что снилетельстнует о полной однородности цвета образца (6) . р и м е р Я. Испытывали смесь акрилонитрилбутадиенстирольного сополимера марки АБС-11 с вязкостью расплава 2,1 10 Па с (i80"С, напряжение сдвига 0,28 ИПа) и 1,5 мас.Е суперконцентрата красителя марки СКП-ПС

524 (цвет антрацит) с вязко-..òüè расплава 3,7 Па.с.(180 С, напряжение о, сдвига 0,28 МПа). Смешение проводилось нстряхинанием вручную 100 г гранул АБС-И с i,5 Г крошки СКП-!IC 524 при комнатной гемпературе в течение

5 мин и последующем четырехкратном

1 пропускании через капилляр нискозиметра при 150" С и напряжении сдвига 40

0,28 МПа: Испытания и расчет экспериментальных данных проводили гго при.меру 1, BQ дополпи-,ель.чую гомогенизацию ироно,цили путем пятикра гного пропускания через капилляр нискозиметра, температура и напряжение сдвига при гомогенизацип и испытаниях составляли

180 С и 0,,08 !IIIa < ooòâerñrненно. Результаты приведены н табл.2.

Так как lj >- ((й о образец поли- 50

1 мера является гоиогенным.

Однороцность цвета образца определяли по полному цветовому различию

ЯЕ1»;-1,>: ), измеренному в соответствии с мегодикой (6).

Для исходной смеси 6 Е I,>ä» b + что меньше величины Й Е1» рактерной для однородного цвета, т.е. смесь так же, как и по реологическои методике, является гомогенной.

Для дополнительно гомогенизирсванного обРаэца д Е1 а»1,ль= 0,68„т.е. Г1 1 k gy < 5, что также свидетельствует о полной однороцности цвета образца.

II р и м е р 9,,Испытывали смесь

50 мас, ПЭНД марки 209-06 с вязко-. стью расплава 1,64 10 Па с (160 С, напряжение сдвига О, 32 %la) и 50 мас.

ПЭВД марки 10802- 020 с вязкостью расплава 1,55 10 Па" с (160 С, напряже— ние. сдвига 0,32 МПа). Смешение проводили встряхиванием вручную 50 г гра нул ПЗНД 209-06 с 50 г гранул ПЭВД 10802—

020 при комнатной температуре в течение 5 мин. Испытание, гомогенизацию и расчет экспериментальных данных проводили по примеру 1, но температура была 160 С, а постоянное напряжение о сдвига 0,32 NIIa. Объем единичной порции расплава 0,02 см ° Результаты приведены в табл.2, Так как I|> - )gk, то испытуемая смесь полимеров негомогенна.

Пример 10. Испытывали смесь

ПЭВД марки 12003-200 с вязкостью расплава 2,1"IA Па с (130 С, напряжение

3 о сдвига 5,01" 10 MIIa) и 60 мас. полиэтиленового воска марки ПВ-200 с вязкостью 2,8 "10 Па с (130 С, напряжение сдвига 5,9 10 МПа) . Смешение

3 и гомогенизацию проводили в смесителе емкостью 5 л с мешалкой анкерного типа н течение 0,5 и 2 ч соответственно при температуре 180-200 С. Испытание и расчет экспериментальных данных проводили по примеру 1, но температура испытаний была 130 С, напряжение сдвига 5,9 10 NIIa. Результаты привез дены в табл.2.

Так как j (U- 1з > g g, то смесь является негомогенной.

Как следует из представленных примеров, заявляемый способ применим к определению негомогенности любых термопластичных нолимерон, полимерных смесей и композиций, предназначенных к переработке в изделия из расплава. Результаты определения гомогенно-.. сти,по заявляемому способу позволяют установить необходима или нет допол-,, нительная гомогенизация промышленных марок полимеров (примеры l, 2 и 6). С помощью таких измерений можно также выбрать необходимый режим работы гомогенизирунщего оборудования, Приме10

765

Способ определения технологической негамогенности термопластич 1ых поли10 мерных материалов, предназначенных для переработки в изделия из расплава путем измерения характеристического параметра материала и расчета дисперсии указанного параметра, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения сферы его применения, гомогенизируют испытуемый материал путем четырехкратного пропускания через капилляр висказиметра,из20 меряют до получения статистически достоверного набора значений вязкости равных па объему порций рясглзва испытуемаго и гомогенизированнага образцов при постоянной температуре, не

25 менее чем на 15 С выше температуры плавления (размягчения) материала, но ниже температуры, вызывающей в нем химические превращения, а также при постоянной скорости или постоянном нап30 рлжении сдвига на стенке капилляра, рассчитывают дисперсии вязкости испытуемого и гомогенизиравяннага образцов материала и сравнивают их, причем негамагеннаму материалу соответствует разность этих дисперсий, превышающая

35 погрешность определения дисперсии вязкости гомагенизированного образца мятериала.

Табли,r,а1

Номер измерения с

29

3,3

3,5 3,7

3,5

3,6

1636 ры 3-5 позволяют выяснить, что для полной гомогенизации фторапласта Ф-41!Б требуется его четырехкратная грануляция, а шести- и восьмикратное пр пускание через экструдер является излишним, что экономически неэффективно.

Пример !1. Испытывали смесь

90 мас,% саполимеря этилена с винилацетятам марки СЭВ-113 с вязкостью расплава 3,2.10 Палас (130 С, папрлЪ жение сдвига 0,05 !1Пя) и 10 мас.% динитросорбида (ДНС). Гмешение проводили встрлхиванием вручную 45 г крошки СЭВ-113 с 5 г порошка ДНС при комкомнатной температуре в течение 5 мин.

Испытания и расчет экспериментальных данных по контролю негомогенности правацили па примеру заявки, но температура испытаний была 130 С, напряжение сдвига 0,05 !!П",, а объем единичной порции 0,002 см . Гамогенизированный образец получали четырехкратным пропус канием при тех же условилх.

Расчеты дали следующие результаты: г.

2,5 10 (Па ° с); О = 2,1 10 i Па с) — 0,3 ° 0 (Пя с)

Тяк кяк 3,— о (>Д то смесь являетсл нсгомагенной.

Одновременно процентное содержание Д!!С в элементарных объемах испытуемого и гомогенизированнога образцов определялась по известному способу с гамощью газовой хроматографии ня хромятографе Цвет-500 . Длл полученных результатов были рассчитаны дисперсии процентного содержания ДНС в образцах: б = 22,16; и

0,76.

Нежду предлагаемым и известным способами наблюдается хорошал корреляция результатов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е и и я

1636765

Таблица 2

Оценка гомогенности образца полимерного материала

При-, мер

)Погрешность определения дисперсии вязкости (Па. с) Дисперсия вязкости ис» пытуемого образца

g„ (Па с) Дисперсия вязкости эталонного гомогенизированного образца (Па с)»

Разность дисперсий вязкости

Негомогенен

То же

То же

Негомогенен

Гомогенен

Негомогенен

То же

Составитель О.Барашков

Редактор О.Гратилло Техред М,Дидык Корректор Л.Пилипенко

Заказ 812 Тираж 385 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11 3035, Москва, Щ-35, Раушская наб., д; 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина,)01

3,68 ° 105

4,0 ° 10

4 5 106

297 ° )Оь

2 4 )О!!

1,66 ° 10

2,90 ° ) 06

),66 ° 10

9,05 10

),7 10

2,5 10

2,36 10

2,3 ° )0

2,3. )0<

2,3! 10

2,3 10

),63 ° 10

),16 . 10

1,48 )0

4,43 10

) 0 lO 2,), 105

1,32 ° 10

1,7, 1O

2 2 )06

0,2 ° ) 06

0,1 ° )O<

0,03 ° ) 06

1,74 10

0,18 10

4,62 ° 10

0,7 10

0,4 . 10

0!31 ) Of

0,3 ° )0

0,3 10

0,3 )OC

0,3 .10

0,21 ° 10

0,16 10

0,19 106

0,58 10

0,2 10

0,3 10