В течение последних лет всё более важное значение для рези­новой промышленности с точки зрения реологического описания ма­териалов, а также контроля процесса смешения приобретает капил­лярная реометрия. Метод заключается в продавливании материала через калиброванное отверстие малого диаметра (капилляр) в услови­ях постоянного перепада давления или скорости деформации. В пер­вом случае в процессе эксперимента измеряется скорость течения, а во втором - изменение давления на стенке капилляра [25]. Данные о вязкости, полученные на капиллярном реометре, могут быть легко выражены в абсолютных значениях физических величин, если ис­пользуются соответствующие поправки для напряжения и скорости сдвига.

Оценка реологических параметров на капиллярных вискози­метрах представляется наиболее удобным методом изучения поведе­ния смесей при высоких скоростях сдвига, характерных для процессов переработки. Капиллярные реометры превосходят вибрационные, а также вискозиметры Муни, которые обеспечивают измерения в одной точке испытаний, дающие первое представление о технологичности материала, но не применимые для описания технологических свойств в широком диапазоне скоростей сдвига. Капиллярная реометрия ус­пешно используется для характеристики технического углерода, оп­ределения оптимума наполнения и других параметров переработки [26].

Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся час­тей. Они состоят из обогреваемого резервуара (вискозиметрической бомбы), на конце которого закрепляется капилляр, подвижного плун­жера и системы задания, поддержания и измерения давления [27]. По­скольку испытуемый материал находится сравнительно короткое вре­мя в деформированном состоянии (по мере его вытекания в капилляр поступают свежие порции полимера из загрузочного резервуара), то влияние термо - и механодеструкции на результаты испытания несу­щественно. Тепловой эффект при испытаниях невелик, так как выде­ляющееся тепло быстро отводится вместе с вытекающим материалом. Капилляры - основная измерительная деталь вискозиметра - доступ­ны, могут быть выбраны желаемых размеров и формы, легко подда­ются калибровке.

Используя метод капиллярной вискозиметрии, можно полу­чать кривые течения (кривые зависимости скорости сдвига от напря­жения сдвига или эффективной вязкости от скорости сдвига, пред­ставляемые обычно в логарифмических координатах), оценивать тем­пературные коэффициенты вязкости и энергию активации вязкого те­чения, степенные константы уравнения Оствальда-де-Вилла, опреде­лять критические скорости и напряжения сдвига, соответствующие наступлению “нерегулярного течения” или «эластической турбулент­ности», величину усадки или эластического восстановления (степень разбухания зкструдата). Наиболее распространенным методом изме­рения усадки У и разбухания экструдата d/D является гравиметриче­ский. Метод заключается во взвешивании отрезка экструдата опреде­ленной длины и сравнении полученной массы Рэ с расчетной Рр d/D ~(Рр/Рэ -1) •100,

У=(1р/1-1) *100 или У = (1 - D/d) *100, где Рр = яЕ?1р/4; 1Р - 4РЭ / (л D2 р); р - плотность экструдата.

Существуют автоматические методы непрерывной оценки d/D, основанные на использовании лазерной и электронной техники [28], реализованные, например, в реометре МРТ (см. далее).

Описанные [29] приборы позволяют определять реологические и вулканизационные свойства как в виде физических величин (полез­ных для учёных при исследованиях и разработках, а также для спе­циалистов, отвечающих за контроль качества), так и в виде техноло­гических параметров. В условиях производства обычно пользуются зависимостью между объемным расходом материала через капилляр Q и давлением Р. Величины Q и Р непосредственно регистрируются на диаграммной ленте самописца. Скорость и напряжение сдвига рас­считывают после достижения установившегося течения.

Устройство для измерения вязкости (СССР) служит для не­прерывного автоматического измерения вязкости по Муни каучука в процессе полимеризации. Устройство включает параллельно соеди­ненные две одинаковые пары последовательно включенных цилинд­рических капилляров равного диаметра с межкапиллярными камера­ми. В качестве задатчика постоянного расхода применен червячный экструдер, продавливающий материал через обе пары капилляров. Регистрирующий прибор измеряет перепад давления между капил­лярными парами, пропорциональный конечной эффективной вязкости и, следовательно, общепринятому показателю вязкости по Муни.

Автоматический капиллярный реометр МРТ постоянной ско­рости фирмы “Монсанто” предназначен для оценки качества, реоло­гических свойств и технологичности резиновых смесей путем измере­ния значений вязкости и релаксации напряжения при различных ско­ростях сдвига и температурах. Реометр МРТ рекомендуется и для оценки шприцуемости резиновых смесей, которая характеризуется усадкой и разбуханием экструдированного потока при выходе из шприц - машины, измеряемым с помощью лазера.

В комплект прибора входит собственно капиллярный реометр постоянной скорости с четырьмя сменными капиллярами и задатчи­ком температуры, а также пульт управления с цифровым дисплеем, микропроцессор программного управления. Рабочий объем цилиндра реометра разделен на 4 зоны, в каждой из которых с помощью микро­процессора и сервогидравлической приводной системы можно изме­нять скорость движения и положение плунжера. Температура испыта­ния устанавливается и регулируется в пределах 71-285 °С с точностью до ±0,25 °С.

Реометр МРТ в комплекте с реометром с колеблющимся дис­ком можно успешно применять для прогнозирования влияния давле­ния литья, температуры формы и цилиндра на время литья и склон­ность к подвулканизации резиновых смесей, а также для контроля пе­рерабатываемости смесей на производственном оборудовании. Одна­ко работа с МРТ довольно сложна, а сам он - дорогостоящий прибор.

Капиллярный реометр “Реограф 2001 ” фирмы “Геттферт” (Германия) предназначен для оценки реологических свойств резино­вых смесей. Вращение шагового двигателя усиливается и преобразу­ется в линейное перемещение поршня, обеспечивая диапазон скоро­сти сдвига от 102 до 10s с '. Управление системой электрического и гидравлического привода осуществляется микропроцессором, кото­рый автоматически следит за показаниями давления и хранит данные установившегося режима течения резиновой смеси, благодаря чему уменьшается влияние оператора. После завершения каждой серии ис­пытаний компьютер по специальной программе вычисляет все изме­ряемые и рассчитываемые данные (в том числе, для определения ис­тинной вязкости производится расчёт поправок Бэгли и Рабиновича для эффективной вязкости), данные о вязкоупругости, измерения раз­бухания экструдата.

Капиллярный реометр серии 6000 типа Kars for Windows ха­рактеризуется пониженным уровнем вибрации, что обеспечивает лег­кость загрузки и выгрузки материала из испытательной камеры. При­бор обеспечивает более 40 точек измерения в ходе испытания и снаб­жен соответствующим математическим обеспечением [30].

Реовулкаметр Геттферта, выпускаемый фирмой “Hampden Test Equipment” (Великобритания), предназначен для исследования и контроля реологических свойств путем моделирования процесса ин - жекционного формования резиновых смесей. Испытав заведомо “пло­хой” и “хороший” образцы, технолог может установить границы для последующего контроля технологичности изготавливаемых резино­вых смесей. Этот капиллярный реометр хорош для исследования рео­логических свойств резиновых смесей с уменьшенным содержанием технического углерода, поскольку при высоком наполнении наблюда­ется явление тиксотропии.

Реовулкаметр фирмы “Геттферт” (Германия) был разрабо­тан в связи с потребностью в простом, но надёжном средстве для оп­ределения реологических свойств резиновой смеси. Этот прибор объ­единяет в себе капиллярный реометр и простую машину для литья под давлением. Основа прибора - плунжер, цилиндр, сменные мундштуки и пресс-формы с гидравлическим приводом замыкания, электриче­ским обогревом и электронно-цифровым регулированием температу­ры. Образец под действием постоянного гидравлического давления выдавливается из капилляра в сменную пресс-форму (возможно под­соединение самых различных пресс-форм) с запирающим усилием до 120 Н. На ленточном самописце регистрируется либо скорость экстру­зии, либо инжектируемый объём материала. При использовании рео - вулкаметра в качестве капиллярного реометра пресс-форма остаётся открытой и регистрируется только скорость экструзии. Испытание на реовулкаметре является одноточечным и даёт оперативную оценку технологичности. Регулирование гидравлического давления увеличи­вает количество параметров испытания, что приводит к возможности определения также полной кривой течения. Преимущества прибора - простота работы с ним, легкость загрузки и очистки от исследуемого материала, универсальность и наглядность интерпретации результатов испытания. Прибор компактен, что позволяет устанавливать его непо­средственно у перерабатывающего оборудования.

Капиллярный реометр фирмы “Чеаст” (Италия) и капилляр­ный экструзионный реометр ACER-2000 (фирмы “Картер Баркер Энетрпрайзес”, США) работают при высоком давлении (до 200 МПа) в широком диапазоне скоростей (от 0,05 до 750 мм/мин) и температур (от -20 до 450 °С). В приборах предусмотрено устройство, позволяю­щее определять бесконтактным способом разбухание экструдата и температуру его поверхности.

Реометр фирмы “Сейсмограф Сервис Корпорэйшн ” (США) предназначен для непрерывного определения вязкости и эластично­сти, а также для контроля качества резиновых смесей в производстве, большого ассортимента полимерных материалов, включая эластоме­ры, губчатые смеси, эмульсии, смолы с добавками. Основное пре­имущество прибора - измерение эластичности при высоких скоростях сдвига. Выходные данные рассчитывают по давлению на капилляр в момент прохождения через него материала с учетом известной скоро­сти течения.

Фирмой “Rosard Precision Ltd.” сконструирован принципиаль­но новый вискозиметр для определения текучести расплава полимера серии RH-7 [31]. Наличие двух независимых капилляров позволяет одновременно определять текучесть как одно-, так и разнородных по­лимеров, что заметно повышает производительность реометра, делает более простой и безопасной работу с ним, увеличивает точность и воспроизводимость результатов.

Роботизация технологических процессов делает актуальной проблему получения реологических характеристик на встраиваемых в перерабатывающее оборудование вискозиметрах. В частности, описа-j на [32] конструкция нового промышленного реометра капиллярного типа, встроенного непосредственно в экструзионную линию двухшне­кового экструдера. В работе [33] проведена сопоставительная оценка реологических характеристик термопластов, полученных на встраи­ваемом вискозиметре постоянного расхода и на капиллярном виско­зиметре постоянного давления. В диапазоне скоростей сдвига, характерном для процессов переработки, обнаружены отклонения в 3- 5%, а для полиэтилена - 10-14 %; однако эту систематическую разницу можно учитывать с помощью коэффициентов корреляции.

Капиллярные вискозиметры обладают и рядом недостатков, ограничивающих их возможности. Измерение происходит только в режиме установившегося течения, хотя поведение материалов в пер­вый момент после приложения нагрузки и процесс релаксации напря­жения также представляют большой интерес. Для исследования мате­риалов при высоких скоростях деформации необходим их повышен­ный расход. При анализе таких высоковязких материалов, как каучуки и резиновые смеси, большую ошибку вносят “входные потери” (неже­лательные перепады давления на начальном участке, где еще не раз­вился профиль потока). Для целей контроля качества научный подход ' с использованием капиллярной реометрии и её идеальных условий < испытаний слишком сложен и требует больших затрат времени.