В ходе реологических экспериментов, целью которых является определение те­кучести полимерных расплавов, особенно расплавов ПЭВП, наблюдали, что когда объемный расход Vпревышает критическое значение, напряжение сдвига скачкооб­разно изменяется. С другой стороны, при превышении критического значения напря­жения сдвига (при поддержании постоянного давления в ходе эксперимента) наблю­дается скачкообразное изменение объемного расхода (см. например, [40]). В обоих случаях наблюдалась нестабильность течения (рис. 3.12).

Возникновение этой нестабильности можно объяснить с помощью модели Уланда [37], описанной в разделе 3.5.1. Прилипание расплава к стенке можно описать путем введения коэффициента статического трения ц;/. Поскольку, как было показано ра­нее, эффект проскальзывания начинает проявляться к выходу из головки, критиче­ское напряжение сдвига на стенке xcrit, ниже которого проскальзывание становится невозможным, можно определить следующим образом:

тсrit = VirPL - (3-74)

Если напряжение сдвига на стенке превышает то вблизи выхода из канала экструзионной головки возникает зона нестабильности. В этой зоне полимерный рас­плав перестает прилипать к стенке и начинает проскальзывать, а коэффициент трения

ты капиллярного реометра

при этом изменяется скачкообразно (дя —» ц(;). Напряжение сдвига также изменяет­ся скачкообразно (см. рис. 3.10), и вследствие этого аналогично изменяется и давле­ние. Формируется зона нестабильности, в которой возможны как прилипание, так и проскальзывание. В результате этого возникает так называемый эффект прерывис­того течения (stick-slip effect), который периодически приводит к огрублению поверх­ности экструдата.

Так называемое разрушение потока расплава, приводящее к огрублению и пери­одическому искажению поверхности экструдата, частично может быть объяснено вышеописанным эффектом [40]. Однако существующие мнения по этому вопросу существенно отличаются. Часто разрушение потока расплава объясняют упругими свойствами расплава [40-43]. В соответствии с этой теорией молекулы в ходе тече­ния через канал теряют способность к восстановлению формы, если скорость сдвига или напряжение сдвига превышают критические значения, зависящие от геометрии входа в канал и от конформации макромолекул полимера. Это явление приводит к возникновению возмущений линий тока. В результате макромолекулы расплава с разной скоростью восстанавливаются на выходе из канала, что, в свою очередь, приводит к локальным деформациям и искажению формы и поверхности экструда­та. Однако следует отметить, что при конструировании экструзионных головок сле­дует позаботиться о том, чтобы рабочие режимы головок не распространялись на описанные выше зоны нестабильности течения. Соответственно, в процессе констру­ирования следует учитывать критические скорости сдвига и критические напряже­ния сдвига, выявляемые при исследовании функций течения.

Обозначения

— количество движения

— сила

— средняя скорость

vmax — максимальная скорость

t — среднее время пребывания

R — радиус

v — скорость

А — площадь поперечного сечения трубы (А = л/?2)

г — радиус (текущее значение)

К — гидравлическая проводимость головки

С, — постоянная интегрирования

Fz — сила сдвига (в направлении координаты г)

К — гидравлическая пропускная способность головки для жидкостей, описывае­

мых степенным законом В — ширина

Н — высота

х, у, z — координаты С2 — постоянная интегрирования

— внутренний радиус

k — отношение внутреннего радиуса к внешнему

W — гидравлическое сопротивление головки

G — постоянная головки

Re — число Рейнольдса

LF — гидродинамическое расстояние до точки формирования ламинарного течения D — диаметр

/р — поправочный коэффициент

R — эквивалентный радиус

Г| — вязкость

— скорость проскальзывания

рс — коэффициент трения при проскальзывании

zj — координата по оси z, начиная с которой проскальзывание невозможно

р0 — давление при проскальзывании расплава по стенкам

рои — давление при прилипании расплава к стенкам по всей длине канала

уг — скорость течения в направлении оси г

ри — коэффициент статического трения (коэффициент трения при прилипании)

х(гк — критическое напряжение сдвига на стенке