14. Еластичне відновлення струменю потоку розплаву.

Наличие комформационных переходов при течении, а также развитие упругой деформации обусловливают проявление специфических эффектов, характерных для течения расплавов и растворов полимеров, таких, как нормальные напряжения при сдвиговом течении, эффект Барруса, эффект Вайссенберга.

Примечание. При течении под воздействием напряжений сдвига макромолекула подвергается силовому воздействию. Поскольку одна часть макромолекулы задерживается межмолекулярным взаимодействием, а другая ее часть увлекается в движение, то происходит ориентация; в то же время тепловая флуктуация вызывает частичную дезориентацию, поэтому в зависимости от скорости сдвига и температуры устанавливается динамическое равновесие. Однако в целом ориентированное состояние является неравновесным, поэтому вдоль основной цепи возникает усилие, обусловливающее появление нормальных напряжений. Значение этих напряжений пропорционально напряжению сдвига и накопленной упругой деформации. Обычно подобные зависимости записывают относительно разности нормальных напряжений.

Эффект Барруса. После выхода расплава из формующих каналов под действием нормальных напряжений возникает эластическое восстановление струи, так называемый эффект Барруса. Эластическое восстановление – это изменение сечения экструдата. Так, при течении в цилиндрическом канале на выходе наблюдается увеличение диаметра, а при истечении из кольцевых каналов изменяется как диаметр, так и толщина стенки трубчатого экструдата (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Изменение размеров расплава после выхода из канала:

а – круглый профиль; б – трубчатая заготовка.

Обычно в качестве показателя эластического восстановления используют коэффициент К_э:

, (7.12)

где R_с – радиус струи расплава; R_э – радиус экструдата после охлаждения; R_к

– радиус канала; ρ_р – плотность расплава; ρ_о – плотность полимера при 20°С.

Изменение линейных размеров экструдата (уменьшение длины и увеличение сечения) связано с протеканием релаксационных процессов. Упругая деформация, накопленная в расплаве при течении в канале, восстанавливается после снятия внешней силы, т. е. при выходе из канала макромолекулы переходят в равновесное состояние. Однако этот процесс происходит при свободном выходе. Если же расплав отводится с помощью тянущего приемного устройства, то он на выходе подвергается действию растягивающих напряжений от принудительной вытяжки, и если эти напряжения больше нормальных, обусловленных напряжениями сдвига, то сечение экструдата уменьшается и процесс экструзии осуществляется с вытяжкой расплава. Далее рассматривается

процесс со свободным выходом расплава.

Поскольку ориентация макромолекул количественно связана с напряжением сдвига, то коэффициент эластического восстановления зависит от скорости сдвига, температуры и длины канала. При увеличении скорости сдвига происходит нелинейный рост коэффициента эластического восстановления. При низких температурах высокая степень ориентации достигается при малых значениях скорости сдвига, а при повышении температуры зависимость эта становится более плавной, так как возрастает процесс дезориентации макромолекул под действием тепловой флуктуации. Следует заметить, что при достижении некоторого значения скорости сдвига темп роста коэффициента эластического восстановления К_э замедляется, а в некоторых случаях даже уменьшается значение К_э Это явление связано с появлением эластической турбулентности или проскальзыванием расплава по поверхности канала.

При увеличении длины канала К_э снижается, что объясняется входовыми потерями давления. Поскольку на входе в канал развиваются большие напряжения сдвига, то при течении в коротких каналах они не успевают снизиться к выходу и расплав вытекает с большой степенью ориентации, а коэффициент эластического восстановления больше, чем в длинных каналах. При увеличении длины каналов напряжения постепенно снижаются и на некотором расстоянии от входа в канал при переходе к установившемуся режиму течения становятся минимальными. Поэтому высокая степень ориентации, достигнутая на входе, постепенно, к выходу из канала уменьшается, что сказывается на значении коэффициента «разбухания» струи.

Используя аналогичный анализ, можно предсказать изменение К_э с изменением других факторов, влияющих на реологические характеристики. Основным критерием оценки эластического восстановления должны служить напряжение сдвига и время релаксации. Так, применение конического участка на входе в канал позволяет значительно снизить К_э, однако увеличение коэффициента будет наблюдаться до более высоких скоростей сдвига, поскольку напряжения сдвига на входе уменьшаются и неустойчивое, течение, т.е. срыв струи, сдвигается в область больших скоростей сдвига.

Эффект Вайссенберга. Исследуя различные случаи круговых течений расплавов полимеров, Вайссенберг показал, что жидкости, обладающие высокоэластичностью, при сдвиге по цилиндрическим плоскостям как бы стягиваются к оси вращения, преодолевая центростремительные силы. При сдвиговом течении между вращающимися цилиндрами, дисками или между дисками и конусами ориентации макромолекул происходит по дуге окружности

Рис. 7.4. Изменение размеров экструдата (а) и схема возникновения тангенциальных нормальных напряжений σ_θθ (б) при течении между вращающимися цилиндрами.

Рис. 7.5. Схема расположения векторов напряжений при круговом

течении расплава.

Рис. 7.6. Различные формы проявления эффекта Вайссенберга; положение расплава до вращения (а) и в момент вращения (б) стержня и пустотелого цилиндра.

тел вращения. При этом, если молекулу представить в виде упругой обобщенной механической модели, то модель, деформируясь, также будет располагаться по дуге окружности, как показано на рис. 7.4, б. Макромолекулы, находясь в такой неравновесной конформации, стягиваются к оси вращения, так как при сложении векторов σ_θθ появляются радиальные нормальные напряжения σ_rr.

Из геометрического построения (рис. 7.5) видно, что нормальное напряжение σ_rr обусловливает сжатие полимера (создает гидростатическое давление) и количественно связано с нормальным напряжением σ_θθ. Отсюда становится понятным необычное поведение расплава при сдвиговом круговом течении. Так, при вращении стержня происходит подъем расплава по стержню вверх (рис. 7.6), а при вращении пустотелого цилиндра расплав течет по внутреннему отверстию, преодолевая силы гравитации.

Эффект Вайссенберга имеет практическое значение: на нем основано измерение первой разности нормальных напряжений в реогониметрах, на этом принципе работают дисковые экструдеры.