Н.С. Зефиров - Химическая энциклопедия, том 4 (1110091), страница 162
Текст из файла (страница 162)
моделей. При достаточно малых напра;кенвях, деформациях или скорости деформнроваиия все РУС лвнейны, но при возрастании деформаш4й или напряжений мех. поведение тела становится более сложным и описывается нелниейиымн РУС. Соотв. различают линейные и нелинейные тела (среды, материалы). Визкоупругесть (и у44руговюкесть). Для линейной вяэкоупругой жидкости напряжение а„возникающее при задаиви ступенчатой деформации а сопз1, убывает (релаксирует) до нуля по закову: а = а !9(1), где !9(1)-т. наз.
ф-ци я реп аксации, не зависюцая от ао. В простейшем случае 49(1) = =е 00, где б-время релаксации. Жидкость, ф-ши релаксации к-.рой выражается одним экспоненц. слагаемым, наз. максвелловской..В общем случае !9(1) м. б. представлена суммой экспонент, что равнозначно существованвю набора (спектра) времен релаксации. Релаксацию напряжения иногда описывают ур-пнем Кольрауша: а = а ехр' ""', где й и л-змпирич. постоянные. Такой подход применяют для резиновых смесей, р-ров полимеров, лакокрасочвых материалов и др. Для линейного упруговязкого твердого тела при скачкообразном задании нанряжешш а = совы деформация изменаетсл во вРемени по законУ: а = б 49(!), где 80 — начальнаа деформация, а 84(1)-т. наз.
ф-ция ползучести (ф-ция крнпа), не зависюцая от а. В простейшем случае 49(1) = 1— — е "", где Х-время запаздывания; в общем случае 45(1) вырюкается суммой экспоненц. слагаеыых. твердое тело, свойства к-рого описываютсб реологич. моделью с одввм временем запаздывания, наз. телом КельвинаФойхта. Для сложного процесса мех.
воздействия в области линейного поведения тета, т.е. когда й(г) не зависит от е, а в(г) — от о,,справедлив принцип сулсрпозиции Больцмаиа, согласно к-рому реакция тела на любое последующее нагружение не зависит от действия всех предшествующих нагрузок. Математически этот принцип выражается РУС в анде интеграла Болъцмана-Воль- терры: 1 а(г) = ) я(г')ф(г — б)с(к+ е е(г), где Е„-равновесный (остаточный) модуль упругости (для жидкости Е = 0), Я вЂ” скорость относит.
деформации. Для нелинейных вязкоупругнх сред, т. е. когда о перестает быть пропорциональным е, принцип суперпозицни Больцмана не применим. Возможны различные способы его обобщения. Так, значение о(г) м.б. представлено функционалом от скорости иагружения, т-ры и др. характеристик предыстории нагружениа, т. е, Ь определяется процессом измечения этих характеристик. Разложение функпионала в ряд дает сумму интегралов в интервале времени (О, Д ядра интегралов выражают деформац. св-ва материала. Такой подход применяют при расчетах композиц.
материалов (стеклопластиков н др.). Согласно др. подходу, релаксац. спектр тела (среды) предполагается зависящим от с, т или щ Так, ур-ние Александрова — Гуревича основано на предположении, согласно к-рому 0 = О„е ", где Ое-значеиие О при а = О, а-эмлирич. постоянйая. При сленговом течении вязкоупругнх жадкостей кроме обьгчных необратимых деформаций вязкого течения накапливаются и сохраняются в потоке большие упругие (высокоэластнч.) деформации. Это приводит к возникновению дополнит. напряжений (помимо сдвиговых), перпендикулярных плоскости сдвига (т.
наз. нормальные напряжения). Из-за нормальных напряжений наблюдается ряд реологич. аномалий, объединяемых обпшм назв. эффекта Вайсенберга: подъем вюкоупругой жидкости по стержню, вращающемуся в вязкоупругой среде; появление силы, стремящейся раздвинуть два параллельно расположенных диска, вращающихся в визкоупругой жидкости, и др. Эти явления ха актерны для расплавов и р-ров полимероя, 6 оявление нормальных напряжений прн сдвиговом течении вязкоупругих взпжостей — простейший случай нелинейного вязкоупругого поведения жидкостей.
Прл низких скоростях сдвига нормальные напряжения пропорциональны фа, поэтому их появление паз. «эффектом второго норядкав. При высоких напряжениях и скоростях сдвига нелинейность поведения проявляется сильнее: нормальные напряжения растут с увеличением у слабее, чем у', а касательные напряжения перестают быть пропорциональными у, т.е. перестает соблюдаться закон Ньютона-Стокса. При изменении режима деформированиа проявляются релаксац. св-ва вязкоупругих жидкостей.
Так, струя, образующая подимерное волокно, после выхода из канала (фильеры) разбухает; при выходе из формующей головки экструдера сложиопрофильные изделия претерпевают искажеши формы. Хотя реологич. св-ва жидкостей наиб. часто измершот в условиях сдвигового течения, для высоковязких жидкостей теоретич. и практич. интерес представляет также одноосиое (продольное) растяжение. Для ньютоновских жидкостей вязкость при растяжении равна Зц (закои Трутона); для вязкоупругих жидкостей она может значительно отличаться от Зц, что также связано с нелинейностью вяз«супругах св-в.
Прннцнциальная особенность реологич. св-в вазгоулругих жидкостей-возникновение при больших у неустойчивости потока и разрывов оплошности. В общем случае режим течения определяется соотношением характерного времени деформироваиия т ' и «внутреннего» характерного времени структурных изменений б. Величина Ьу может служить для оценки скорости процесса перестройки структуры жицкости, 485 РЕОЛОГИЯ 247 разрушенной деформированием; в частности, она отражает процесс релаксации.
При бу» 1 вязкоупругая среда становится твердообразной. Вследствие этого поток становится неустойчивым; возникает зластич, турбулентность-неустойчивое течение, вызванное нерегулярным накоплением и сбросом упругих деформаций. Материал может отрываться от граничной твердой стенки канала (напр., фильеры при формованни волокон) или в материале возникают периодич.
колебания (по всему объему или в поверхностной зоне), что приводит, напр., к появлению матовости (ухудшеиию прозрачности) экструдируемой пленки; наконец, материал может разрываться подобно тому, как рвется любой твердый материал, когда напряжение превысит предел прочности. В жидких дисперсных системах, особенно высоконаполненных твердой фазой, разрывы оплошности возникают при относительно низком значении скорости сдвиговой деформации.
Появление разрывов оплошности исключает возможносп, построения для таких систем полной реологич, кривой течения (см. ниже), а также служиг главным препятствием для получения однородных мно~окомпонентиых систем, напр. при перемешиванин. Р. вязкоупругих полимеров рассматривает также авлешш, связанные с релаксациониымн и фазовыми переходами, вызванными процессом деформироваиия. К явлениям этого типа относится описанный выше переход жидкости в твердообразное состояние цри бу» 1. При очень больших скоростях доформирования может происходить стехлование полимера с последукацим хрупким разрушением. Деформированне хонцеитрир.
р-ров полимеров влияет на их кристаллизацию, изменяя как равновесную т-ру фазового перехода, так и его кинетику, а также структуру (и, следовательно, св-ва) кристаллич. в-ва. Пластичность, Различают упругопластичные тела и вюкопластичные среды. Упругопластичные тела деформируются в соответствии с законом Гука вплоть до достижеиня нек-рых критич.
условий (предела текучести); затем мате- рвал «течета подобно вязкой жидкости, т.е. деформация лвнейно возрастает во времени (модель Сен-Венана). Для сложнонапряжениого состояния в качестве предела текучести принимают критвч. значение максимального касательного напряжения (критерий Треска-Сеи-Венана) илн интенсивности касательных напряжений (критерий Мизеса). Важнейшими материалами, реологич. поведение к-рых описывается моделью улругопластич. тела, являются мн.
конструкц. материалы, в т.ч. металлы при напряжениях, превыпиющих предел текучести. Пластич. деформации упругих тел реализуются при нек-рых техиол. операциях- штамповке, ковке, прокатке металлов. Вязкопластичная среда †моде тела, к-рос вообще не деформируется до достижения нек-рого критич. напряжения †преде текучести т, а затем течет как вязкая жидкость. Такими св-вами обладают, напр., консистензные смазки, краски и др. Простейшее РУС для таких сред при т>т выражается ф-лой Шведова — Бингама: т=те+ + цву, где т)в — т. наз.
бингамовская вязкость. В др. приближенйи РУС вязкопластичной среды имеет вид: Я = 0 при т<те и т=цу ззрн т>то. Невьютоиевсние жидиеети. Если в условиях установившегося сдвигового течениа касательное напряжение т не пропорционально скорости доформирования у, т.е. нх отйошение ц = т/у изменяется в зависимости от величины т или у, то такую жидхость наз. неньютоновской, а отношение е/ф-эффективной (нли кажущейся) вязкостью.
Прелложеио песк. РУС для описания поведения неньютоновских жидкостей. Во мн. случаях выполияетса РУС вида: 1 тыц Ч«1 .)„+Чч где величины з)е и ц„ж ц -наибольшая и наименьшая ньютоновские вязкости, Ь и и-эмпирич. постоянные. 486 248 РЕОЛОГИЯ ПРи 8У «! г) м т)в = сонэ!; это-т. наз. область ньютоновского течения; при 87» 1 жидкость обладает ньютоновскими св-вами. РУС, включающее и г)в, и г(„, наз.
полной реологич. кривой течения. Для расллавов полимеров, мн. коллоидных жидкостей (волей, микроэмульсий) в широком диапазоне скоростей сдвига выполняется закон Оствальда — Де Вилла: г1 - у ", такую неньютоновскую жидкость наз. «стеценной». Для нее получены решения мн. гидродииаьшч. задач. Неньютоновское поведение жидкостей может иметь разл.
причины: в жидких дисперсных системах определяющую роль играет ориентация частиц дисперсной фазы, юменение их формы и степени агрегацни, в коллоидных жидкостяхпосгепеино углубляющееся с ростом напряжений разрушение (нли изменение) внугр. структуры; в полимерах-эффекты мех. релаксации. В конкретных случаях может иметь место наложение разл.
механизмов; напр., неньютоновское поведение наполненных полимеров свюано как со структурными перестройками, так и с релаксац. явлениями. Для мн. неньютоновских жидкостей характерны такие явления, как гпиксопцюния — обратимое уменьшение вязкости («разжиженнеп) жидкости или сгруктурир, системы во времени, и дмлшпансия — рост вязкости предельно наполненных дисперсных систем с вязкой дисперсионной средой.
Частный случай неньютоновского поведения жидкости — изменение вязкости с течением времени из-за протекающих в среде хим. р-ций. Если р-цня идет в гомог. среде, изменение вюкосги среды отражает изменение ее состава; при этом деформнрование обычно не влияет иа кииетич. закономерности р-ции. Однако для гетерог. Р-ийй, напр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
