42. Особливості підготовки розплаву для екструзії труб

Подготовка расплава к формованию обычно проводится на червячных экструдерах и реже на дисковых, так как в последних не достигается высокое давление.

При плавлении полимера и гомогенизации расплава требуется обеспечить хорошую однородность расплава по температуре, а также полное расплавление гранул, чтобы исключить попадание в изделие нерасплавленных частиц. В противном случае качество изделий понижается. Кроме того, чтобы происходило качественное формование расплава и последующее сохранение заданной формы, полимер должен быть нагрет до определенной температуры. Экструзионный агрегат должен работать при частоте вращения шнека, обеспечивающей заданную скорость выхода расплава и определенное давление на входе в формующую головку. Вид экструдера (экструдеров) выбирается в зависимости от размеров (площади сечения) изготавливаемой трубы, скорости ее отвода и числа фильер в головке. Обычно рекомендуется работать на 70–80% от максимальной расчетной производительности по расплаву. Запас по производительности необходим для возможности управления процессом. При работе с максимальной частотой вращения шнека увеличивается пульсация расплава (колебания величины производительности во времени), что вызывает появление разнотолщинности стенок трубы по длине.

Скорость экструзии обычно выбирается при условии исключения эластической турбулентности (дробления расплава и появления шероховатости) или в зависимости от скорости охлаждения трубы с учетом имеющейся длины охлаждающей ванны (ванн).

43. Эластическая турбулентность при течении расплава полимера

При высоких скоростях выдавливания из формующих каналов экструзионных головок на поверхности экструдата (струи) появляется шероховатость или разрывы. Это явление неустойчивого течения называется эластической турбулентностью, однако в данном случае она не имеет ничего общего с турбулентностью, возникающей при течении ньютоновских жидкостей.

Начало неустойчивого течения можно зафиксировать визуально. Вначале появляется матовость (мелкая шероховатость), затем, по мере увеличения скорости, экструдат становится винтообразным или возникают дефекты поверхности типа «апельсиновая кожура», затем периодические дефекты – «поверхность бамбука» и, наконец, на поверхности появляются разрывы или расплав распадается на отдельные части. Начало неустойчивого движения соответствует достижению определенных значений скорости и напряжения сдвига, называемых критическими _кр и τ_кр.

Наступление неустойчивого течения в основном обусловлено пристенным скольжением расплава на стенке канала. При низких скоростях сдвига напряжения сдвига, возникающие на стенках канала, меньше сил адгезии расплава, и дефектов не наблюдается. По мере увеличения скорости потока напряжения сдвига возрастают и появляется местное проскальзывание расплава по поверхности. При этом напряжения сдвига резко падают за счет перехода параболического профиля скорости к прямоугольному. Затем вновь происходит сцепление расплава с поверхностью и переход на установившееся течение, а потом наступает новый срыв. Такое периодическое пульсирующее течение вызывает колебание высокоэластических деформаций, которые нарушают глад-кость струи и обусловливают появление дефектов типа «поверхность бамбука». Если срыв происходит не по всей поверхности одновременно, возникает закручивание струи и образование винтообразной поверхности. При очень больших напряжениях сдвига отрыв расплава вызывает большие высокоэластические деформации и в поверхностных слоях возникают разрывы. Таким образом, неустойчивое течение связано не вообще со скольжением, а с периодическим процессом скольжение – прилипание (stick – slip).

Поскольку неустойчивое течение приводит к уменьшению и повышению напряжений сдвига, возникает связь поверхностных дефектов с высокоэластическими свойствами расплавов полимеров. Периодическое проскальзывание обусловливает неравномерное развитие упругой высокоэластической деформации, которая, релаксируя на выходе из канала, вызывает неоднородное изменение размеров экструдата (струи). В связи с этим появляются периодические кольцевые утолщения, а при срыве струи по винтовой линии происходит закручивание струи.

Обработка многочисленных экспериментальных данных показала, что неустойчивое течение наступает при достижении определенных напряжений сдвига τ_кр или при развитии критического значения высокоэластической упругой деформации ε_у.

На критическое значение напряжения сдвига оказывает влияние длина канала. Чем короче канал, тем при меньших скоростях наступает неустойчивое течение. Это объясняется тем, что при больших напряжениях сдвига, возникающих во входовой части канала, они при малой длине канала не успевают полностью отрелаксировать, и течение происходит при неустановившемся режиме, т. е. большие напряжения сохраняются до выхода из канала и не стабилизируют потока.

Склонность потока к появлению неустойчивого течения возрастает в случае применения каналов с плоским входом. При резком переходе от одного сечения канала к другому во входовой части появляются значительные эластические деформации и гладкость поверхности экструдата нарушается при более низких скоростях, чем при плавном переходе (применение конфузора). Исследования потока полиэтилена низкой плотности методом двойного лучепреломления показывают, что максимальные нормальные напряжения образуются в тонком слое в резервуаре перед входом в канал и возрастают с увеличением расхода. Как известно, перед плоским входом возникают вихри, вызывающие циркуляционное течение в угловой зоне. При достижении критической скорости в области вихрей появляются сильные пульсации и в резервуар периодически попадает расплав из циркуляционной зоны (вихрей). Поскольку расплав в области вихрей имеет меньшую накопленную эластическую деформацию, то это неизбежно приводит к колебанию размеров экструдата на выходе из канала. Таким образом, при неправильно сконструированных каналах неустойчивое течение может быть обусловлено как проскальзыванием, так и пульсацией расплава в вихревых зонах. Повысить глянец поверхности, уменьшить шероховатость можно за счет повышения температуры.

При высоких температурах напряжения сдвига уменьшаются, вязкоупругие свойства проявляются значительно слабее и в результате увеличения гибкости макромолекул быстрее происходят релаксационные процессы, т. е. уменьшается длина входовой части канала. Поэтому при более высоких температурах можно получать качественные изделия при сравнительно высоких скоростях течения расплава.

Важность описанных эффектов для технологии производства изделий из полимерных материалов обусловлена тем, что появление поверхностных дефектов существенно ограничивает производительность экструзионных агрегатов при изготовлении труб, пленок, листов, оболочек кабелей, профилей и волокна.