Вязкость полимерных связующих
Полимерное связующее на стадии получения композиционного материала (пропитка) представляет собой вязкую жидкость и основным параметром для описания поведения такой жидкости является вязкость, которая характеризуется коэффициентом вязкости η.
Чем выше вязкость, тем труднее связующее проникает в межволоконное пространство наполнителя. Для снижения вязкости используют различные пластификаторы или разбавители. Однако, слишком низкое значение показателя вязкости оказывает негативное влияние на качество получаемого отвержденного материала, так как может происходить стекание полимерной композиции с наклонных поверхностей или выдавливание большого количества его из формы. Для повышения вязкости в композицию вводят загущающие добавки (например, аэросил).
Методы определения вязкости полимерного связующего
Вязкость полимерной композиции зависит от различных технологических параметров, один из основных – температура.
Температурная зависимость вязкости часто выражается уравнением типа уравнения Аррениуса
где η – вязкость; η0 – некоторый параметр; Еав – энергия активации вязкого течения; R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314кДж/(моль×К)); T – термодинамическая температура.
Из анализа приведенной формулы можно сделать вывод о том, что при увеличении температуры вязкость полимерного материала снижается.
Энергия активации вязкого течения возрастает с увеличением молекулярной массы, достигая некоторого предельного значения. Для определения энергии активации вязкого течения необходимо построить зависимость коэффициента вязкости от температуры. Из уравнения следует линейная зависимость логарифма вязкости от обратной температуры (рис.1).
Рисунок 1: Зависимость lgh-1/Т для определения энергии активации вязкого течения
Из приведенной формулы можно определить энергию активации вязкого течения по экспериментальным данным. Разница между температурами должна составлять не менее 20 К, тогда энергия активации определяется более точно.
Зная энергию активации вязкого течения и вид зависимости вязкость – температура, можно методом интерполяции определить вязкость при различных значениях температуры.
Значения вязкости для основных типов олигомеров, применяемых для изготовления связующих, представлены ниже (табл. 1).
Таблица 1: Значения вязкости основных олигомеров
| Показатель | ПН-1 | ПН-3 | ЭД-16, ЭД-20 |
| Вязкость по Хопперу, Па.с | 0,5-0,8 | 0,5-1,0 | 13-28 |
Определение вязкости по вискозиметру В3
Для быстрого приближенного определения условной вязкости (времени истечения) полимерных жидких связующих применяют вискозиметр ВЗ (рис. 1). Вискозиметр представляет собой резервуар, имеющий форму воронки с тремя сменными соплами. Принцип действия вискозиметра основан на определении времени непрерывного истечения испытуемой жидкости в количестве 100 см3 через выходное отверстие вставки-сопла. 
Рисунок 1: Схема вискозиметра ВЗ для определения условной вязкости жидкостей:
1 – опора; 2 – штатив; 3 – резервуар; 4 – сопло; 5 – приемный стакан.
Оборудование и материалы: различные типы связующего, вискозиметр ВЗ, секундомер с ценой деления 0,5 с, термометр с ценой деления 0,1°С, емкость для связующего, скребок, набор сопел, испытуемое полимерное связующее (100мл).
Ход работы. Ввинчивают сопло с необходимым диаметром выходного отверстия (Ø2 мм, Ø4 мм, Ø6 мм) в резервуар. Устанавливают резервуар в штатив, предусмотрев установку приемной емкости для вытекающей из резервуара жидкости. Штатив прибора помещают на стол со строго горизонтальной поверхностью. Закрывают выходное отверстие вставки-сопла резервуара для исключения вытекания жидкости. Медленно, во избежание образования пузырьков, наливают в резервуар до верхней кромки жидкость. Мениск удаляют стеклянной пластиной. Приемный сосуд устанавливают так, чтобы расстояние между выходным отверстием и приемным сосудом было не менее 100 мм.
Открывают выходное отверстие вставки-сопла и при начале движения жидкости из отверстия резервуара вискозиметра, одновременно включают секундомер. Во время первого прерывания струи останавливают секундомер и отсчитывают время t. Время истечения определяют с погрешностью не менее 0,5 с.
Повторное измерение проводят сразу после окончания предыдущего без очистки вискозиметра. За результат испытаний принимают среднее арифметическое результатов 3–5 измерений времени истечения в секундах.
Определение вязкости по вискозиметру Гепплера
Для определения вязкости прозрачных олигомерных композиций (термореактивных полимеров) наиболее точным методом является определение вязкости по шариковому вискозиметру Гепплера (рис. 3,4).
Рисунок 3: Вискозиметр Геплера
Основной частью прибора является пробирка 5 с внутренним диаметром 20 мм (рис. 4), которую помещают в стакан 4 с термостатирующей жидкостью (глицерин). На пробирке нанесены метки 7 на расстоянии 100 мм друг от друга. Температуру жидкости контролируют термометром 8. К прибору прилагается набор стальных шариков 6 с диаметром 7,94 мм.
Принцип метода состоит в определении времени прохождения стальным шариком расстояния между метками. Прибор дает возможность определять вязкость при нормальных и повышенных температурах.
Рисунок 4: Схема прибора для определения вязкости термореактивных связующих: 1— электронагреватель; 2 – асбестовая прокладка; 3 – штатив; 4 – термостакан с термостатирующей жидкостью; 5 – пробирка со связующим; 6 – стальной шарик; 7 – метки; 8 – термометр
Оборудование и материалы: 50см3 испытуемого полимерного связующего, шариковый вискозиметр, секундомер с ценой деления 0,5 с, термометр с ценой деления 0,1°С.
Ход работы. Экспериментально или по правилу смеси определяют плотность композиции.
Исследуемую жидкость заливают в пробирку до уровня выше верхней метки, закрепляют в лапке штатива и опускают в термостатирующую жидкость. При этом дно пробирки не должно касаться дна стакана. Уровни исследуемой и термостатирующей жидкостей должны совпадать. При необходимости проводят термостатирование жидкости при заданной температуре в течение нескольких минут.
Определяют время прохождения стальным шариком расстояния между метками. При проведении эксперимента пробирка должна находиться строго вертикально, а шарик должен опускаться по оси пробирки, не касаясь стенок.
Динамическую вязкость исследуемой жидкости η(Па·с) при заданной температуре вычисляют по формуле Стокса: 
где dш – диаметр шарика, м; ρш – плотность материала шарика (для стали 7856 кг/м3), кг/м3; ρсв – плотность связующего, определяется расчетным путем по правилу смеси или экспериментально, кг/м3; D – диаметр пробирки, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; tср – среднее значение времени прохождения шариком расстояния между метками, с; L – расстояние между метками, м.
По предложенной методике определяют вязкость полимерного связующего не менее чем при трех значениях температуры, различающихся более чем на 10°С, за результат измерений принимают среднее значение не менее 3 экспериментов при каждой температуре.
По результатам эксперимента строят зависимости вязкости от температуры и lgh–1/Т. По наклону прямой на последнем графике рассчитывают энергию активации вязкого течения, используя формулу: 
где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,314 кДж/(моль · К); η1, η2 – экспериментальные значения динамической вязкости, Па·с; Т1, Т2 – значения температуры, при которых определена вязкость, К.
Автор: Кордикова Е.И., кандидат технических наук, доцент кафедры механики материалов и конструкций БГТУ
Источник: Композиционные материалы: Лабораторный практикум, 2007 год
Дата в источнике: 2007 год