ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Нестабильности при многослойном течении

В дополнение к типичным общим нестабильностям однослойного течения, таким как нестабильный угол конуса при входе расплава в канал, прерывистое движение материала (stick-slip), эластическая турбулентность и огрубление поверхности экст­рудата (meltfracture), проскальзывание на стенке (wallslip) при многослойных тече­ниях возникают два дополнительных фактора нестабильности: инкапсуляция (пол­ное окружение одного расплава другим) и нестабильности на границе раздела слоев (interfacial instabilities).

Инкапсуляция и граничные нестабильности представляют собой два явления, которые должны рассматриваться отдельно в зависимости от причин их возникнове­ния, механизма проявления и вызываемых ими последствий. Различие между ними наглядно иллюстрируется сравнением рис. 6.19 и 6.20. Два потока расплава с одинако­вым объемным расходом продавливают одновременно через один круглый капилляр так, что они имеют общую границу раздела по одной стороне. Положение границы оп­ределялось потопким срезам застывшего двухслойного экструдата [39]. При соэкстру­зии двух различных марок полистирола (рис. 6.16) было обнаружено, что низковяз­кий расплав всегда стремится инкапсулировать расплав с более высокой вязкостью.

Как показывают результаты измерений, тенденция к инкапсуляции может поме­няться на противоположную в зависимости от условий процесса при соэкструзии двух расплавов, имеющих пересекающиеся кривые вязкости.

Из этого можно сделать вывод, что инкапсуляция представляет собой явление, полностью зависящее от параметров течения перерабатываемых материалов.

Объяснение этого явления дает принцип минимизации энергии. Оба расплава стремятся течь таким образом, чтобы перепад давления был минимальным. Это происходит только когда расплав с низкой вязкостью контактирует со стенкой, об­разуя, таким образом, скользящую пленку, в то время как расплав с высокой вязко­стью оказывается в средней части канала, окруженный со всех сторон низковязким расплавом.

Рис. 6.19. Изменение границы раздела между слоями при соэкструзии двух раз­личных марок полистирола (ПС) [39]

Рис. 6.20. Изменение поверхности раздела при экструзии двух различных типов полиэтилена (ПЭ) [39]

слоями проявляется отчетливо, но количественное экспериментальное подтвержде­ние этих результатов еще не получено.

При экструзии двух различных марок полиэтилена (рис. 6.20) было установлено, что между расплавами образуется грубая и нерегулярная граница раздела [39]. Эта нестабильность поверхности не имеет прямого отношения к инкапсуляции. Типичное возникновение межслоевой нестабильности при экструзии многослойных пленок поясняется на рис. 6.22.

Направление

экструзии

Рис. 6.22. Формирование нестабильностей на поверхности раздела многослойных пленок, получаемых методом соэк - струзии

Модель, объясняющая возникновение нестабильностей на границе раздела слоев, в идеале должна объяснять следующие факты:

• межслоевые нестабильности возникают в тонких средних и внешних слоях в зависимости от комбинации материалов;

• аномалии поверхности раздела варьируются по частоте и по амплитуде;

• межслоевые нестабильности возникают и при соэкструзии идентичных мате­риалов;

• нестабильности между слоями могут возникать непосредственно в зоне слия­ния, а также и при установившемся ламинарном течении.

В настоящее время имеется два принципиально различных подхода к объяснению причин возникновения межслоевых нестабильностей.

• Первый подход заключается в использовании математической модели анализа устойчивости многослойного течения в зоне пограничного слоя в целях опре­деления, усиливаются ли возмущения на границе раздела материалов при раз­витии течения или, напротив, происходит их ослабление [32]. В ходе этого анализа было установлено, что критерием разграничения между устойчивым
и неустойчивым течением является соотношение вязкостей на границе раздела между слоями. Этот критерий был проверен в многочисленных опытах по со - экструзии. Нанося на график зависимости между отношением вязкостей на границе раздела слоев и отношением толщины слоев, можно установить границы устойчивых и нестабильных режимов течения (рис. 6.23).

'JsLs 102

Устойчивый » режим • Неустойчи­вый режим

X. • >

101

о 0<Ъ°£, „о о о о

А

о

10°

О <5> О О

КГ1

КГ1 10° 101

Отношение значений толщины слоев hA / hB

Основным аргументом против использования отношения вязкостей в качестве критерия устойчивости поверхности раздела между слоями является соображение, что такая модель не может объяснить возникновение нестабильностей при экструзии идентичных материалов.

• Альтернативой анализу устойчивости является модель, которая объясняет воз­никновение межслойных нестабильностей силами, действующими на поверх­ности раздела между слоями.

Поверхность раздела представляет собой «слабое звено» в соединении между двумя прилегающими слоями расплавов. Это иллюстрируется рис. 6.24, на котором схематично показано межмолекулярное взаимодействие между расплавами в про­цессе слияния двух потоков полимерных расплавов [40].

В области, где расплавы текут отдельно, макромолекулы полимера, с одной сторо­ны, задерживаются на стенках канала вследствие существования на них микронеров­ностей (условие адгезии по Стоксу), а с другой — переплетаются с молекулами, нахо­дящимися в средней части канала. Следовательно, макромолекулы ориентируются у стенок в направлении течения. Никаких переплетений и поперечных связей в про­дольном направлении не образуется. При слиянии потоков обоих расплавов (участок II), ориентированные и неориентированные области образуют поверхность раздела. Од­нако в течение периода релаксации ориентированных макромолекул ориентация

Рис. 6.24. Модель, описывающая адгезию на границе раздела между двумя поли­мерными расплавами: I — ориен­тация слоев вблизи стенки; II — пе­реплетения молекулярных цепочек нет, поверхность раздела является ориентированной; III — происхо­дит межслойное взаимное перепле­тение молекулярных цепочек, по­верхность раздела перестает быть ориентированной

частично сохраняется. Как показало статистическое изучение сегментальной под­вижности макромолекул [41], для формирования поперечных связей требуется зна­чительно большее время.

Последний третий участок, на котором ориентированность на поверхности разде­ла полностью исчезает, и поперечные связи возникают по всей поверхности раздела между слоями, в течение обычного времени пребывания расплавов в экструзионной головке не достигается.

Поскольку поверхность раздела между слоями представляет собой слабое звено в межслойном соединении, расплавы могут скользить здесь друг относительно друга значительно легче, чем при течении одного материала.

Такая гипотеза подтверждается экспериментальными исследованиями и она же позволяет объяснить возникновение нестабильностей на поверхности раздела слоев идентичных материалов.

Эффекты, возникающие при обтекании расплавом спиц дорнодержателя и приво­дящие к возникновению «линий стыка», аналогичны эффектам, имеющим место при соэкструзии идентичных материалов [30]. Теория разрушения материала на границе раздела связывает возникновение нестабильностей с напряжениями, действующими на границе.

При одномерном течении внешняя граница расплава подвергается сдвигу. Из это­го следует, что можно найти критическое напряжение сдвига на границе для каждой

комбинации материалов[29] (при превышении которой появляются нестабильности [30, 32,33,42].

Это также возможно сделать и для многослойных течений. Оценка напряжений сдвига на границе раздела слоев возможна, только если нестабильность возникает при одномерном течении. В табл. 6.1 приведены значения критических напряжений сдвига для одномерных двухслойных изотермических течений.

Поскольку критическое значение напряжения сдвига зависит от поверхностных сил, действующих вдоль границы раздела слоев расплавов, его необходимо экспери­ментально определять для каждой комбинации материалов.

Простой перенос значений критического напряжения сдвига, найденных в экспе­риментах с одномерными течениями, на двухмерные или трехмерные течения (на­пример, в расширяющихся или сужающихся каналах) невозможен. Причина этого заключается в том, что к напряжениям сдвига, возникающим в результате сдвигового течения, на границе между слоями вследствие продольных течений добавляются так­же нормальные напряжения. Они могут оказать на течение как стабилизирующее, так и дестабилизирующее влияние. Экспериментальным путем было установлено, что увеличение высоты клинового канала оказывает сильное дестабилизирующее воз­действие [42].

Тот факт, что межслойные нестабильности обычно не возникают на формующем участке экструзионной головки, хотя здесь очень высока скорость сдвига вследствие малой высоты канала, свидетельствует о том, что сужающиеся каналы оказывают на течение стабилизирующее влияние [31]. Тем не менее по-прежнему остаются две проблемы, связанные с использованием модели разрушения материала по межслой - ной поверхности:

• еще недостаточно изучено влияние температуры на критическое напряжение сдвига;

• определение критического напряжения сдвига для вязкоупругих жидкостей с повышенной эластичностью расплавов невозможно с помощью современных программ компьютерного анализа, поскольку они применимы только к чисто вязким материалам[30].

Обозначения

атп — пограничный слой между слоями тип

с — положение, где скорость течения достигает максимума

ср — удельная теплоемкость

а — высота канала для отдельных слоев

еа — поправочный коэффициент для канала с прямоугольным поперечным

сечением h — высота канала

к — постоянная интегрирования

т — массовый расход

р — давление

v — скорость

vm — скорость в слое т

vn — скорость в слое п

В — ширина

МКЭ — метод конечных элементов

МКР — метод конечных разностей

V — объемный расход

Vm — объемный расход в слое т

Vtotal ~ общий объемный расход

Tw — температура на стенке

Y — деформация сдвига

у — характерная скорость сдвига

у — скорость сдвига

Т| — вязкость

г — характерная вязкость

р — плотность

т — напряжение сдвига

Э — температура

Индексы

/, т, п — различные слои

V/ — на стенке