+7 (495) 465-16-29 Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Переработка пластмасс

Условия перехода к нерегулярному режиму течения расплавов термопластов

Сабсай О.Ю., Дубинский М.Б., Барштейн Г.Р. 

Пласт. массы, 1991, № 9, с. 40 - 41.

 
 
  
     При течении расплавов термопластов и композиций на их основе в каналах формующего оборудования при большом объемном расходе возможно нарушение ламинарного характера течения. В результате ухудшаются эксплуатационные свойства формуемого изделия, искажается его поверхность, изменяются параметры процесса (объемный расход, давление, крутящий момент на шнеке). Поэтому определение критических показателей, характеризующих момент перехода к нерегулярному режиму течения (НРТ), необходимо для оптимизации технологических параметров переработки.
     Существуют различные по феноменологическому проявлению режимы течения перехода к НРТ, когда кривая течения остается гладкой или кривая течения претерпевает разрыв, называемый "срывом течения". Рассмотрим условия перехода к НРТ только первого типа, который характерен для промышленных полидисперсных термопластов.
     Для определения условий перехода к НРТ предлагается [1, 2] использовать критическую величину напряжения сдвига 
(кр) или обратимой деформации (Sкр). Величина кр может быть определена экспериментально методами ротационной и капиллярной вискозиметрии. Методы капиллярной вискозиметрии дают возможность нахождения критической входовой поправки (екр), которая может быть связана [1] с Sкр соотношением [3]:

екр = Рвх / 2 Sкр / 2                          (1)

где Рвх - потери давления на входе в канал; - напряжение сдвига на стенке канала.
     Представляла интерес оценка рассматриваемых критических показателей, характеризующих переход к НРТ и определяемых по данным капиллярной вискозиметрии с точки зрения их инвариантности по отношению к конструкции канала и входового участка, а также содержания наполнителя в полимере.
     Исследования проводились на капиллярном вискозиметре "Реограф 1000" фирмы "Goettfert" (ФРГ) в режиме постоянного объемного расхода. В экспериментах использовали круглые цилиндрические каналы диаметром (d) от 0,5 до 4 мм и длиной (L) от 0,5 до 40 мм и плоскощелевой канал размером 2 x 10 x 200 мм . Величину давления (Рр) перед входом в капилляр в резервуаре вискозиметра измеряли датчиком фирмы "Dynisco" (США) и регистрировали с помощью самописца. Момент перехода к НРТ фиксировали по появлению нерегулярности на поверхности экструдата, которое сопровождалось, как правило, колебанием давления (Рр). Исследовали следующие термопласты: сополимер этилена и винилацетата (СЭВА) марки 11306-075; полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) марки 277-73; полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) марки 15303-003; полистирол (ПС) марки ПСМ 115 в/с; полипропилен (ПП) марки 01010. В композициях на основе перечисленных термопластов в качестве наполнителей использовали золу сланца и кероген марки 70 [4].
     Существенное влияние на кр оказывает только объемное содержание наполнителя (табл. 1). Эта зависимость может быть выражена уравнением:

lg   = lg + К                       (2)              

где кр и - критическое напряжение сдвига для наполненной композиции и базовой полимерной матрицы соответственно. Величина параметра К определяется типом используемой полимерной матрицы [4].

Таблица 1. Критические напряжения сдвига для композиций на основе ПС.

  
Содержание наполнителя, 
объемн. %
Критическое напряжение сдвига (в МПа), приведенное к давлению Pp
L/D = 10/2 L/D = 20/2 L/D = 40/2 щелевой канал
0 - 0.24
0.25
0.25
0.24
0.30
0.30
20 - 0.28
0.30
0.28
0.30
0.32
0.35
30 0.30
0.37
0.32
0.35
0.32
0.38
0.35
0.40
40 0.347
0.407
0.347
0.398
0.342
0.417
0.375
0.465

 Примечания: 1. Числитель - температура расплава  413 К, знаменатель - 433 К. 2. Наполнитель - зола сланца. 

  

 

 Таблица 2. Критическая входовая поправка для композиций на основе ПС.    

  
Содержание наполнителя, 
объемн. %
Критическая входовая поправка, приведенная к давлению Pp
L/D = 10/2 L/D = 20/2 L/D = 40/2 щелевой канал
0 - 18.0
15.0
20.2
16.0
18.0
16.5
20 -    -  
16.0
17.0
16.0
18.0
17.0
30 18.0
-
16.0
18.0
18.0
15.0
18.0
18.0
40 19.0
16.5
19.0
-
19.5
14.5
19.0
-

   Примечания: Числитель - температура 413 К, знаменатель - 433 К. 2. Наполнитель - зола сланца.

   

 

     Метод расчета величины кр, инвариантной к длине канала, для полимеров со значительной зависимостью вязкости от гидростатического давления (например для блочного ПС), приведен в работе [5].
     Величину екр с учетом влияния гидростатического давления определяли по методу, описанному в работе [5]. Она практически не зависит от температуры, содержания наполнителя, длины и формы канала (табл. 2).
     В работе [6] исследовано течение термопластов через круглые цилиндрические каналы при различных соотношениях диаметров резервуара вискозиметра и капилляра (D/d).
     Установлено (рисунок), что при величине D/d, равной 11,4 и 3,07, переход к НРТ (отмечен на рисунке черточками) наступает при кр равном 0,16 и 0,28 МПа и при екр, равном 6,0 и 6,6 соответственно (екр определяли по методу работы [7]). При значениях D/d = 1,29 и 1,63 не наблюдалось перехода к НРТ, хотя достигалось , существенно превышающее кр (кривые 3, 4). Таким образом, при изменении условий затекания расплава полимера в канал (в данном случае при изменении параметра D/d в широком диапазоне) кр не является, в общем случае, критерием достижения НРТ.
  
 

Рис. Зависимость входовой поправки (е), определенной по методу работы [7], от напряжения сдвига (). Соотношение D/d: - 11,4;  - 3,07; - 1,63; - 1,29. Материал - СЭВА марки 11306-075. Температура расплава 423оС, в Па.

 
 
 
     Переход к НРТ для расплава СЭВА (см. рисунок) происходит при достижении екр, равного  6,0 - 6,6. Как показали эксперименты, НРТ не наблюдается в тех случаях, когда е не достигает критической величины (кривые 3 и 4), хотя 
> кр.
     Результаты экспериментов по исследованию условий достижения НРТ при различных значениях D/d служат наиболее убедительным доводом в пользу выбора критической величины входовой поправки в качестве критерия наступления НРТ. Это соответствует теоретическим представлениям, изложенным в работах [1, 2, 8].
     Таким образом, критическая величина напряжения сдвига на стенке канала, широко используемая для количественной оценки момента перехода к нерегулярному режиму течения расплава, не может служить, в общем случае, критериальным параметром, поскольку не является инвариантной к существенным изменениям геометрических условий затекания полимера в канал (например, к изменению соотношений диаметров капилляра и резервуара) и содержания наполнителя в полимерной композиции.
     В качестве критерия перехода к нерегулярному режиму течения следует использовать входовую поправку, критическая величина которой инвариантна к температуре расплава, гидростатическому давлению, объемному содержанию наполнителя и геометрическим условиям затекания полимера в канал и определяется типом полимерной матрицы.     

Литература    

1. Bialas G.A., White J.L. Rubber Chemistry and Technology, 1969, v. 42, No 3, p. 682.
2. Малкин А.Я., Леонов А.И. В кн. Успехи реологии полимеров. М., Химия, 1970, с. 98.
3. Philippoff W., Gaskins F.H. Trans. Soc. Reology, 1958, No 1, p. 263.
4. Барштейн Г.Р., Сабсай О.Ю. Обз. инф. Технологические свойства термопластов с минералорганическими наполнителями. М., НИИТЭхим, 1988.
5. Барштейн Г.Р. Канд. дис. М., ИХФ АН СССР, 1988.
6. Дубинский М.Б. и др. Пласт. массы, 1991, № 8.
7. Bagley E.B. J. Appl. Phys., 1957, v. 28, No 5, p. 624.
8. Малкин А.Я., Леонов А.И. ДАН СССР, 1963, т. 151, № 2, с. 380.