ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Практические цели оптимизации

При конструировании экструзионных головок, а также в процессе оптимизации каналов, обычно преследуется ряд целей. В зависимости от конкретных граничных условий эти цели могут получить различные приоритеты.

Качество экструдируемого изделия зависит главным образом от распределения скоростей в потоке расплава полимера на выходе из экструзионной головки. Соот­ветственно основной целью реологического моделирования экструзионной головки или какого-либо распределительного устройства является достижение равномерного распределения скоростей течения расплава на выходе из канала головки.

В головке следует избегать возникновения застойных зон, в которых свойства материала могут ухудшаться вследствие длительного пребывания. Для материалов, склонных к термическому разложению, например, ПВХ, необходимо стремиться к сокращению общего времени пребывания расплава в экструзионной головке. Кроме того, для многих головок полезно обеспечить как можно более узкий диапазон допу­стимого времени пребывания расплава в канале, поскольку это позволит уменьшить временные и финансовые затраты при необходимости очистки головки при смене материала.

Следующим критерием является низкий перепад давлений в головке. Поскольку в результате вязкого течения происходит диссипация энергии, образуемой силами давления, и преобразование ее в основном в тепло, то расплав с высокой температу­рой за счет дополнительного подвода энергии нагревается еще больше. Это снижает производительность процесса в целом, которая часто ограничивается только степе­нью охлаждения профиля. К тому же для создания высокого давления требуется более мощный и, следовательно, более дорогой экструдер.

Существуют и другие критерии, например, необходимость поддержания опреде­ленного сдвигового напряжения на стенках. Если напряжения сдвига на стенках кана­ла слишком низкие, то возможные отложения материала на стенках не смогут пере­мещаться и удаляться из головки, и материал начнет разлагаться. При высоких значениях напряжений сдвига на стенках свойства экструдата также могут ухудшать­ся вследствие дополнительного разогрева. Поэтому напряжения сдвига на стенках не должны быть слишком высокими или слишком низкими. Этот критерий можно рас­ширить и на скорости сдвиговой деформации, которые тесно связаны с механически­ми напряжениями в расплаве.

При разработке геометрии канала необходимо, чтобы расплав подвергался непре­рывному ускорению в процессе его перемещения от входа в головку к выходному от­верстию. Это требование особенно актуально для материалов, имеющих тенденцию к проскальзыванию по стенкам, так как если в процессе ускоренного перемещения потока по каналу сдвиговое напряжение на стенках монотонно возрастает, критиче­ское напряжение сдвига, при котором возникает прерывистое течение, известное как stick-slip, может возникать в пределах головки только однократно.

Далее, в процессе конструирования экструзионных головок, предназначенных для работы с материалами, которые проявляют при течении значительные упругие свой­ства, необходимо учитывать эффект разбухания экструдата. Следует, по возможно­сти, стремиться к обеспечению равномерного разбухания по всему поперечному се­чению, поскольку это позволит, например, компенсировать данный эффект за счет повышения скорости отвода или степени вытяжки экструдата.

Для многих головок необходимо стремиться к конструкции, обеспечивающей эффективное распределение расплава, другими словами, к минимальной зависимости от рабочего режима и свойств материала.