РАСШИРЕНИЕ ПОТОКА РАСПЛАВА ПОСЛЕ ВЫХОДА ИЗ КАНАЛА ФИЛЬЕРЫ
Расширение потока после выхода его из канала фильеры наблюдается при формовании волокна из растворов и расплавов полимеров и экструзии термопластов51. Картина расширения потока схематически показана на рис. 49. Забицкий52 в качестве критерия степени расширения струи предложил выражение I
(24) pac- |
струи расплава при выходе из канала фильеры (схема). |
— 1 |
d 0 |
d2 |
■ критерии ширения; dmax — диаметр струи при максимальном расширении; d0 — диаметр отверстия фильеры. Явление расширения струи подробно исследовано при формовании волокна из расплава различных полимеров (поликапро - лактам, полиэфиры, полистирол) и экструзии полимеров, особенно полиэтилена. Общая закономерность более или менее одинакова для всех полимеров, хотя особенности состава и строения полимера, а следовательно, и свойства расплава полимера оказывают влияние на качественную сторону процесса. |
максимального |
где |
Qmax — Qmax ~ |
d2 - max |
Факторы, определяющие степень расширения струи. Скорость (или градиент скорости) потока в канале фильеры. При увеличении скорости потока и сохранении прочих равных условий возрастает максимальное расширение струи (табл. 26).
ТАБЛИЦА 26 Влияние скорости потока на максимальное расширение струи поликапролактама52
Примечание. Размеры канала: диаметр 0,05 см, длина 0,02 см, Температура 275 °С (формование под действием собственного веса). |
Бейнон и Глайд57 также наблюдали расширение струи при экструзии полиэтилена с увеличением градиента скорости, особенно в области малых градиентов скоростей. По их данным, степень расширения струи в зависимости от градиента скорости проходит через максимум, причем максимум расширения соответствует началу разрушения расплава.
Метцнер и сотр.56 определяли расширение струи полиэтилена высокого давления и полипропилена. Отмечено постепенное увеличение расширения с возрастанием градиента скорости, при этом максимума на кривой не обнаружено (рис. 50). Увеличение угла наклона кривой для полипропилена авторы объясняют большим по сравнению с другими полимерами проявлением эластичности при течении полипропилена. Кривая для полиэтилена высокого давления не характерна, так как она относится к полимеру с низким молекулярным весом. Полиэтилен высокого давления обладает меньшей текучестью, чем полипропилен, и для него эффект расширения должен быть выражен более заметно.
Давление или напряжение сдвига в канале. Расширение струи возрастает с увеличением напряжения едва -
га, причем наиболее заметно влияние напряжения сдвига сказывается в области низких значений напряжений сдвига. Степень расширения струи при возрастании напряжения сдвига проходит через максимум (рис. 51). Начало разрушения расплава и искажение экструдата соответствуют появлению максимума на кривых течения.
Рис. 50. Влияние скорости Рис. 51. Зависимость степени расши-
сдвиги на расширение струи: рения струи от напряжения сдвига
1—полипропилен, температура 200 "С для полиэтилена
{молекулярный вес 300 ООО)', 2—полиэтилен высокого давления, температура 160 °С (молекулярный вес 18 000).
Длина канала или продолжительность пребывания расплава в канале. По данным Забицко - го52, с увеличением длины канала или, что то же самое, продолжительности пребывания расплава в канале максимальное расширение струи уменьшается. Однако Клегом66 было показано, что при низких скоростях потока расширение не зависит от длины мундштука, и только большие скорости сдвига вызывают эффект, наблюдаемый Забицким и другими авторами. Кастой67 установлена линейная зависимость lg(Qmax—Qmin) = =f(t) для медноаммиачных растворов, что указывает на релаксационный механизм этого явления. Для расплавов подобная закономерность не соблюдается.
Температура расплавов. Температура оказывает большое влияние на расширение струи. С понижением температуры происходит резкое увеличение диаметра струи в зоне расширения. При высоких температурах формования такое
9—10С6
явление не наблюдается. Влияние температуры связано с изменением вязкости и релаксационных свойств расплава. Увеличение вязкости расплава вызывает увеличение Q. Поэтому все факторы, определяющие вязкость расплава, влияют на расширение струи.
С повышением молекулярного веса полимера этот эффект проявляется в большей степени.
Диаметр отверстий фильер. По данным Н. В. Михайлова и сотр.68, зона расширения зависит от диаметра отверстия фильеры. При малых диаметрах отверстий фильеры (0,25—0,50 мм) максимальный диаметр струи достигает двукратной величины по сравнению с диаметром отверстий фильеры.
Для фильеры с большим диаметром (1,0—1,5 мм) расширение гораздо меньше, но все же диаметр струи в 1,2 раза больше диаметра отверстия фильеры.
Расширение струи при формовании относится к нежелательным явлениям. В случае расширения создается неустойчивый поток расплава и может нарушаться стабильность процесса формования. При максимальном расширении возможно растекание расплава, приводящее к появлению наплывов, получению волокна искаженной формы или, наконец, к обрыву формующегося волокна. Поэтому необходимо, чтобы при формовании расширение струи было минимальным.
Важнейшими причинами расширения струи могут быть:
а) перестройка потока скоростей (превращение параболического потока в плоский) при выходе из фильеры51-69;
б) дезориентация макромолекул или движущихся частиц на выходе из канала фильеры67;-
в) релаксация напряжений, возникающих при входе в капилляр и не успевших реализоваться при течении расплава по каналу фильеры51;
г) возникновение нормальных напряжений (эффект Вейссенберга) вследствие проявления присущих расплавам вязкоэластических свойств71;
д) поверхностные явления, связанные с адгезией расплава к материалу фильеры.
При формовании волокон из расплава полимеров на расширение струи, видимо, большое влияние оказывают релаксационные процессы и возникающие нормальные напряжения. Этот вывод в известной мере подтверждается тем, что такие факторы, как повышение температуры, удлинение канала, уменьшение вязкости, благоприятствуют завершению процессов релаксации в канале фильеры и способствуют уменьшению расширения струи.