Способ определения неньютоновской вязкости

Изобретение относится к области реологии, в частности к разработке способов определения неньютоновской вязкости полимерных соединений, их растворов и концентрированных суспензий гранулированных материалов. Способ определения неньютоновской вязкости включает подачу исследуемой среды на измерительную поверхность. Также способ включает замер параметра и расчет вязкости неньютоновской жидкости. При этом в качестве измерительной поверхности используют плоский диск, а исследуемую среду (1) подают через выходное отверстие на центр вращающегося диска (3), на некотором удалении r от оси вращения и края диска. После установления постоянной скорости вращения производят замер толщины пленки δ₀ в одной или в нескольких точках. Затем при том же расходе среды изменяют скорость вращения диска и повторно производят аналогичные замеры, повторяя операцию несколько раз и по функциональной зависимости: , где γ - скорость сдвига, τ_m=ρw²rδ₀ - касательное напряжение на стенке, ρ - плотность неньютоновской жидкости, δ₀ - толщина пленки, r - координата замера толщины пленки от центра, w - угловая скорость вращения диска, Q - объемный расход, Ф=Qρ²rw⁴/2π, определяют реологическую кривую. Технический результат изобретения является расширение диапазона измерений в результате создания любого градиента давления за счет изменения оборотов вращения диска вискозиметра, а также обеспечение простоты и точности измерений вязкости неньютоновских жидкостей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области реологии, в частности к разработке способов определения неньютоновской вязкости полимерных соединений, их растворов и концентрированных суспензий гранулированных материалов.

Известны способы определения ньютоновской вязкости жидкостей или растворов полимеров (например, вискозиметр истечения, падающий шар, капилляр постоянного диаметра, капиллярное выдавливание, пластометр с параллельными пластинами, падающий коаксиальный цилиндр, вращающийся цилиндр) [1]. Предлагаются также вибрационные и ротационные методы измерения вязкости, основанные на определении амплитуды, частоты вибрации или сдвига фаз [2, 3]. Однако многие из них не нашли применения для вязкотекучих полимерных соединений, их растворов или концентрированных суспензий из-за ограниченного диапазона определения вязкости (невозможность проведения измерений при высоких давлениях) или сложности аппаратуры.

Между тем, в ряде производств одним из основных показателей качества готовой продукции является вязкость, которую контролируют как на различных стадиях процесса, так и в конце технологического цикла. При исследовании реологических свойств материалов в вязкотекучем состоянии предпочтение отдается ротационным методам, поскольку именно они обеспечивают получение наибольшего количества характеристик. Известны измерительные поверхности ротационных реовискозиметров и вискозиметров типа цилиндр-цилиндр, колокольного типа, конус-конус. Но наиболее близким техническим решением является измерительная поверхность типа конус-плоскость, которая применяется для исследований высоковязких неньютоновских систем, например, расплавов или растворов полимеров, каучуков, битумов [3]. Недостатком указанного реовискозиметра является зависимость крутящего момента и требуемого объема жидкости от угла между конусом и плоскостью, а также наличие специального чувствительного элемента (в виде пружины, растяжки, на основе асинхронного электродвигателя с полым ротором или с ротором в виде «беличьего колеса», микроамперметров и др.) с определенной нестационарной погрешностью измерения, а также усложнением процессов измерения и обработки результатов.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений в результате создания любого градиента давления за счет изменения оборотов вращения диска вискозиметра, обеспечение простоты и точности измерений вязкости неньютоновских жидкостей.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения неньютоновской вязкости, включающем подачу исследуемой среды на измерительную поверхность, замер параметра и расчет вязкости неньютоновской жидкости в качестве измерительной поверхности используют плоский диск, исследуемую среду (1) подают через выходное отверстие (2) на центр вращающегося диска (3), на некотором удалении r от оси вращения и края диска после установления постоянной скорости вращения производят замер толщины пленки δ₀ в одной или в нескольких точках, затем при том же расходе среды изменяют скорость вращения диска и повторно производят аналогичные замеры, повторяя операцию несколько раз и по функциональной зависимости

,

где γ - скорость сдвига, τ_m=ρw² r δ₀ - касательное напряжение на стенке, ρ - плотность неньютоновской жидкости, δ₀ - толщина пленки, r - координата замера толщины пленки от центра, w - угловая скорость вращения диска, Q - объемный расход, Ф=Qρ²rw⁴/2π,

определяют реологическую кривую.

Модификация измерительной поверхности приводит к изменению формулы расчета скорости сдвига, правомерность которой доказывается решением гидродинамической задачи при установившемся течении жидкой (вязкотекучей) пленки по поверхности вращения плоского диска. При решении поставленной задачи используют трехмерную систему координат (х, у, z), параметры Ламе в данной системе координат принимают следующие значения H₁=H₂=1, Н₃=z. Уравнение движения в трехмерных координатах для установившегося течения жидкой пленки по поверхности вращения после интегрирования и учета граничных условий принимает вид

где τ, z - координаты, направленные вдоль и перпендикулярно плоскости диска соответственно.

Необходимо определить зависимость

где V - скорость в направлении оси r.

На поверхности диска у основания τ определяется как

Таким образом, задача сводится к решению зависимости γ=f (τ_m), для нахождения которой необходимо воспользоваться соотношением объемного расхода

или после интегрирования по частям

Меняем переменную z в формуле (1) на выражение

получим

Для нахождения V(δ₀) воспользуемся соотношением (2) и (5)

Подставив полученное выражение в уравнение (6), получим

или

откуда

Искомая зависимость γ=f(τ_m) имеет вид

γ=1/τ_m·dФ(τ_m)/dτ_m.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фокс Т., Гратч С., Лошек С. Вязкость полимеров и их концентрированных растворов. В кн.: Реология. Теория и приложения. Под ред. Ф.Эйриха. Пер. с англ. - М.: Ин. лит., 1962. - С.508-578.

2. Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970. - 139 с.

3. Крутоголов В.Д., Кулаков М.В. Ротационные вискозиметры. - М.: Машиностроение, 1984. - 111 с.

Способ определения неньютоновской вязкости, включающий подачу исследуемой среды на измерительную поверхность, замер параметра и расчет вязкости неньютоновской жидкости, отличающийся тем, что в качестве измерительной поверхности используют плоский диск, исследуемую среду (1) подают через выходное отверстие на центр вращающегося диска (3), на некотором удалении r от оси вращения и края диска после установления постоянной скорости вращения производят замер толщины пленки δ₀ в одной или в нескольких точках, затем при том же расходе среды изменяют скорость вращения диска и повторно производят аналогичные замеры, повторяя операцию несколько раз, и по функциональной зависимости
,
где γ - скорость сдвига, τ_m=ρw²rδ₀ - касательное напряжение на стенке, ρ - плотность неньютоновской жидкости, δ₀ - толщина пленки, r - координата замера толщины пленки от центра, w - угловая скорость вращения диска, Q - объемный расход, Ф=Qρ²rw⁴/2π,
определяют реологическую кривую.