Движение расплавов в каналах фильеры по характеру ана­логично движению расплавов в капиллярах вискозиметров, применяемых для изучения свойств расплавов полимеров. Ма­лая длина капилляра (L/d0< 1—2) и отклонение от ньютонов­ского течения оказывают существенное влияние на свойства расплава.

Несмотря на малую длину капилляра и непродолжительное время пребывания в нем расплава, за время течения успевает сформироваться профиль распределения скоростей, форма ко­торого зависит от показателя степени п (см. рис. 33). Для вязкой жидкости длина капилляра L, на которой устанавли­вается профиль скоростей, приближенно определяется выраже­нием:

L = 0,03 Ree?0 (20)

где Re — критерий Рейнольдса; d0 — диаметр капилляра.

Так как при движении жидкости в капилляре ReCl, то от­ношение L/d0<^l и формирование потока скоростей происходит в самом начале канала отверстий фильеры.

На режим течения существенное влияние оказывают входо­вые эффекты. Как уже отмечалось выше, расплавы полимеров обладают вязко-эластическими свойствами. При входе в канал в расплаве возникают упруго-эластические деформации. Про­должительность нахождения расплава в капилляре составляет 10-4—10-2 сек, а продолжительность релаксации значительно больше (0,1—5 сек), поэтому в процессе течения не успевают реализоваться возникшие при входе упруго-эластические на­пряжения. Эти напряжения оказывают влияние на некоторые процессы, протекающие при течении расплава по каналам фильер и после выхода расплава из фильеры. К ним относятся расширение (вспучивание) струи и «дробление» или наруше­ние равномерности расплава, приводящее к получению волокна с неравномерной поверхностью или спиралевидной формы. Интенсивность проявления этих процессов зависит от свойств расплавов, определяемых природой полимера и, в частности, упругой составляющей деформации и параметров процесса те­чения.

Дробление или «огрубление» поверхности наблюдается при многих технологических процессах: формовании волокон, литье пленок и других технологических процессах экструзии поли­меров. Характер дробления полиэтиленовой жилки показан на рис. 46.

Причины и место возникновения дробления расплава в лите­ратуре описаны недостаточно; приводимые данные противоре­чивы. Однако довольно подробно изучено влияние отдельных факторов на дробление расплава, приводящее к получению изделий плохого качества, и установлены некоторые законо­мерности.

Многие исследователи дробление расплава связывают с ве­личиной напряжения сдвига52-54. При определенной величине

напряжения сдвига на кривой течения lgy = /(lgT) появляется перегиб. Точка перегиба соответствует критическому значению напряжения сдвига (тКр.), выше которого начинается неустой­чивое течение и дробление расплавов. Повышение температуры приводит к перемещению точки перегиба в сторону больших значений напряжений сдвига. Величина критического напря­жения и соответствующая ему критическая скорость сдвига определяют оптимальные условия переработки полимера, ка­чество готовых изделий и произ­водительность оборудования. По Шулькену и Бойя55, дробление расплава наступает, когда на­пряжение сдвига превышает сдви­говую прочность расплава.

Рис. 46. Образцы полиэтилена, продавленные через капилляр при различных скоростях:

I—ровная гладкая струя; 2—начало не­устойчивого режима (появление шерохова­тостей); 3—винтообразная струя; 4—рас­падающаяся струя полимера.

По данным Метцнера и

При входе расплава в капил­ляр происходит резкое увеличе­ние градиента скорости, требуе - щего значительного увеличения напряжения сдвига для снижения вязкости расплава. Снижение на­чальной высокой вязкости до значений, соответствующих до­стигнутому градиенту скорости, также протекает во времени. Ес­ли напряжение сдвига превышает прочность расплава, происходит его разрушение (это наблюдает­ся при резком возрастании гра­диента скорости). сотр.55, нарушение целостности экструдата нельзя определять по перегибу на кривой течения, так как иногда на кривой течения перегиб не наблюдается, а дробление расплава происходит; особенно заметно это не­соответствие при использовании коротких капилляров, напри­мер при формовании волокна. Явление дробления расплава наблюдается при достижении определенной скорости сдвига, названной критической скоростью сдвига (упр.). По мнению авторов работы57, на дробление расплава более существенно влияет не сама скорость сдвига, а скорость ее изменения. Осо­бенно большое значение у1ф. приобретает в связи со стремлением значительно увеличить скорость переработки термопластичных материалов. На величину укр. влияют многие факторы: вязкость расплава, молекулярный вес и природа полимеров, темпера­тура, упруго-эластические составляющие деформации, форма капилляра и другие факторы.

Влияние отношения длины (L) капилляра к его диаметру на величину укр. для полиэтилена видно из данных56:

L:d.,............................ 10—20 35—50 100—135 200

7кр.' сек-1 • • • 25—70 40—90 75—120 160—170

Примечание. Исследования проводились при 160 °С, диаметр капилляра изменился от 0,575 до 2,25 мм.

Очевидно, что при увеличении длины капилляра уменьшается вероятность дробления расплава.

Критическая скорость сдвига, сек~1

На величину укр. особенно заметное влияние оказывает геометрическая форма входного отверстия в капилляр. Уста­новлено59, что при течении расплава по капилляру на входе образуется естественный конус с углом 30—40°. Остальное пространство представяет собой мертвую зону, в которой рас­плав может только циркулиро­вать. Поэтому, если цилиндриче­скую форму входного отверстия изменить на коническую, ликви­дируется мертвое пространство перед входом и создается более равномерное поле сил. На опти­мальный угол входа влияет много факторов, поэтому имеющиеся в литературе данные противоречи­вы. Для длинных капилляров

изменение угла входа в пределах _

/10 1 яо° „„„иволга „о Рис. 47. Влияние угла входа

40 180 мало сказывается на укр. расплава в капилляр на критическую

11 о данным, уменьшение угла скорость сдвига полиэтилена при

входа приводит к увеличению укр. 190 °С.

(рис. 47). При конической форме

входного отверстия и углах входа 20 и 24° значение уКр. увели­чивается в 10—14 раз по сравнению с цилиндрической формой отверстия.

По Метцнеру56, изменение угла входа в пределах от 40 до 180° оказывает небольшое влияние на укр., и только при угле входа меньше 20° наблюдается повышение укр.. По Милсу42, конусо­образная форма входного отверстия с углом в 40° способствует уменьшению шероховатости поверхности литьевых изделий. Влияние входных эффектов на значение уКр. наглядно по­казано в работе56 с так называемым «бесконечным капилля­ром», в котором отсутствуют входовые эффекты. Для модели­рования бесконечного капилляра в капилляр с L/d0 = 54,8 зали­вался и длительное время выдерживался расплав полимера, при этом происходила релаксация напряжения. Выдавливание расплава из капилляра при у = 135 сек~1 приводит к получению
гладкого экструдата. Если при той же величине у выдавливание осуществлять обычным методом, получается спиралевидный экструдат.

Геометрическая форма входного отверстия имеет особенно важное значение для коротких капилляров, к которым отно­сятся фильеры. Формование волокон из расплавов обычно проводится на фильерах с коническим входным отверстием, обес­печивающим возможность применения более высоких градиен­тов скоростей. В одном из патентов58 формование полипропиле­нового волокна при высоких напряжениях сдвига рекомендует­ся проводить на фильерах с конусом, имеющим угол не менее 14°, высоту конуса 0,75 — 2,5 см и высоту цилиндрической части более 5 и менее 40% от суммарной высоты конической и цилин­дрической частей фильеры. Такая форма фильеры дает воз­можность значительно увеличить напряжение сдвига без на­рушения равномерности течения расплава. Так, например, при т = 2,7 • 10s дин/см2 и подаче расплава со скоростью 1,7 г/мин формование полипропиленового волокна на фильерах, имеющих высоту конической части 1,25 см, конусность 14°, длину цилин­дрической части 0,31 см и диаметр отверстия 0,05 см, проте­кает устойчиво. Для аналогичных фильер с цилиндрическим ка­налом нарушение равномерности потока расплава наблюдает­ся при скорости подачи 0,6 г/мин и х= 1,5 -10s дин/см2. При удлинении канала или уменьшении диаметра нарушение про­цесса формования происходит при более низких скоростях по­дачи или напряжениях сдвига.

Капилляры более сложного профиля с изменяющимся по ^плине углом дают возможность значительно увеличить скорость экструзии, но изготовление таких капилляров связано с боль­шими трудностями. Профиль сечения отверстий фильеры сле­дует подбирать с учетом свойств расплава полимера, и для каждого полимера должна быть своя оптимальная форма ка­нала.

На дробление заметное влияние оказывает температура расплава полимера. В ряде работ42'55 однозначно показано влияние температуры на укр.- При увеличении температуры за­метно возрастает критическая скорость сдвига. Значение кри­тической скорости сдвига50 для разных полимеров в широком диапазоне изменения температур показано на рис. 48.

Данные о влиянии температуры на критическое напряжение сдвига также противоречивы. Некоторые исследователи51 счи­тают, что ткр полиэтилена уменьшается при повышении темпе­ратуры, другие указывают на увеличение тКр. и, наконец, третьи считают, что температура оказывает незначительное влияние на критическое напряжение сдвига. Как видно из
рис. 48, температура мало влияет на ткр. Малая чувствитель­ность тКр. к температуре вытекает из свойств расплавов. Зна­чение ткр. определяется начальным модулем, который мало за­висит от температур.

Рас. 48. Влияние температуры на ткр> и 7кр< расплавов полимеров:

t,°6

/—полиэтилен', 2—полиметилметакрилат; 3—найлон 6,6 4—по­листирол: 5—полипропилен.

До настоящего времени не установлены причины, вызываю­щие дробление расплавов.

По Е. Е. Глухову и С. И. Клаз53, причиной дробления рас­плава является пристенное скольжение полимера. Такое же мнение высказывается в работе54. Многие авторы наблюдали пульсацию потока расплава при скоростях сдвига выше крити­ческой.

Большинство исследователей явление дробления связывают с эластическими свойствами расплава. Нарушение потока рас­плава возникает при обратимых деформациях сдвига, равных примерно 700%. Характерно, что величина обратимого сдвига остается примерно одинаковой для большинства полимеров52. В качестве доказательства этой точки зрения Баглей приводит

следующие доводы. Закон Гука для сдвига можно представить уравнением:

(21)

WM*> = %Т Рт°бР.

где Mw— средневесовой молекулярный вес;

Т — температура, °К;

R — газовая постоянная; р— плотность, г/см3-,

Тобр. — обратимое напряжение сдвига, дин/см2.

При заданной температуре правая часть уравнения являет­ся постоянной величиной, так как критическое напряжение достигается при постоянной обратимой деформации. Тогда TKp, M^ = const, или ткр_ = 1 /Mw. Из теории эластической дефор­мации известно, что модуль сдвига G=/Mw, поэтому ткр. опре­деляется эластической составляющей деформации. Постоянство произведения ткрMw для полиэтилена показано в работе Спен­сера63. Торделла64 также придает большое значение вязко-эла­стическим свойствам расплавов, причем, по его мнению, нерав­номерность течения связана с достижением критического соот­ношения между касательным и нормальным напряжением.

А. Я. Малкин и А. И. Леонов60 в качестве критерия перехода течения расплава на неустановившийся режим ввели названный ими эластический критерий Рейнольдса ReKp., представляющий ■собой отношение сил вязкости к силам упругости. При некото­ром значении ReKp. силы упругости становятся равными силам вязкости; при этом упругие колебания не смогут гаситься за, счет внутреннего трения. Значение ReKp определяется по урав­нению:

Т

G £°бР

(22)

где у — скорость сдвига;

G — модуль упругости; т} — вязкость; т — напряжение сдвига;

ЕобР. — обратимые деформации.

Константа ReKp. является универсальной величиной, так как она не зависит от температуры, геометрической формы капил­ляра, материала и других факторов. Для определения ReKp. необходимо знать продолжительность релаксации и параметры потока. Баглей62 предложил метод прямого определения ReI;p. из данных капиллярной вискозиметрии. По входовым эффек­там определяются нормальные напряжения, а касательные на­
пряжения находятся непосредственно из условий эксперимен­та. Значение ReKp. определяется из простого уравнения:

ReKp. = T (23)

где о — нормальное напряжение; т—напряжение сдвига.

Обязательным условием применимости этого уравнения яв­ляется соблюдение закона Гука для высокоэластической сдви­говой деформации.

Нарушение потока различные исследователи объясняют по - разному. Сторонники пристенного скольжения считают, что эти явления возникают внутри капилляра. Другие исследователи до­пускают, что нарушения возникают внутри потока при входе рас­плава в капилляр, а затем проявляются на поверхности.