ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Реологические свойства материалов

При сравнении эластомеров с термопластами по их функции вязкости было обна­ружено, что для обеих групп материалов характерна зависимость вязкости от сдвиго­вого воздействия (рис. 7.3). Влияние температуры на характер течения для обеих групп материалов вполне определенно можно выразить уравнением Аррениуса или уравнением Вильямса-Ланделла-Ферри [10] (см. раздел 2.1.1.3). Кроме того, по виду функций обе группы материалов тоже сравнимы. В диапазоне режимов переработки обе группы материалов могут характеризоваться показателями степени в степен­ном уравнении течения. Единственное различие заключается в том, что уровень вяз­кости эластомеров в большинстве случаев сдвинут в сторону более высоких значе­ний [8]. Тем не менее следует учитывать следующие особенности, специфичные для материалов каждой группы.

Модель диссипации. Поскольку эластомеры в основном перерабатывают в виде композиций с наполнителями, т. е. перерабатываемый материал представляет собой многофазную гетерогенную систему, то необходимо принимать во внимание влияние наполнителей на распределение скоростей сдвига по поперечному сечению канала. Для термопластов разработана так называемая диссипационная модель [11], справед­ливость которой была подтверждена в некоторых работах [12, 13]. Эта же модель была применена и к эластомерам в [ 14]. В соответствии с данной моделью необходимо
производить дифференциацию между текучей и твердой фазами. Это означает, что течение в канале экструзионной головки является двухфазным (рис. 7.4). При этом общий сдвиг и, следовательно, диссипация энергии происходит между частицами наполнителя, что характерно для эластомеров. При измерениях на реометре можно получить интегральное значение вязкости г)ц и соответствующее интегральное значе­ние скорости сдвига уц. Оба эти значения применимы для расчета перепада давления, так как они описывают поведение текучей системы в целом. Однако когда их приме­няют в уравнении энергии, необходимо внести корректирующие поправки. Как пока­зано на рис. 7.4, скорость сдвига в эластомерной области в К раз выше, чем интеграль­ное значение.

Как показано в работе [9], энергия диссипации полимерной фазы, определяемая на основе вышеприведенных рассуждений, вычисляется по формуле

%=(1-ф)-^ЛиК-у2

По сравнению с интегральными параметрами (г|ц, уц), значение энергии диссипа­ции увеличивается с учетом следующего коэффициента:

Fd=0 - Ф)-

Из этой формулы следует, что для высоковязких композиций на основе каучука повышение температуры вследствие сдвигового воздействия вызвано не только

высокой вязкостью, но и присутствием наполнителя. Измерения с помощью капил­лярного реометра показали, что течения при высоком расходе перестают быть изо­термическими. Следовательно, необходима корректировка результатов. В результа­те может быть найдена функция вязкости, независимая при высоких скоростях сдвига от геометрии канала. [ 14]. В работе [14] была также предложена итерационная процедура определения максимальных температур. В [9, 15] приводится формула для расчета поправочного коэффициента К (необходимость введения которого вы­звана повышением скорости сдвига) в зависимости от объемного содержания напол­нителя на основе двухмерной модели течения, для которой частицы наполнителя рассматриваются в виде полусфер с площадью поперечного сечения п ■ сР / 4.

(7.3)

Предел текучести. Помимо повышения локальной скорости сдвига, взаимодей­ствие между отдельными частицами наполнителя может приводить к появлению так называемого предела текучести [16]. Ниже некоторого порогового значения напря­жение сдвига, называемого пределом текучести т0, материал не течет и ведет себя как твердое тело. Иногда таким же образом ведет себя натуральный каучук [9]. Течение таких материалов можно разделить на зону сдвигового течения и зону стержневого (пробочного) перемещения. Как показано на рис. 7.5, доля стержневого течения уменьшается с ростом отношения напряжения сдвига на стенках к пределу текучести.

а)

Рис. 7.5. Модель течения со структурным ядром

[9]: а — течение при низких значениях напряжения сдвига на стенке; b — тече­ние при высоких напряжениях сдвига на стенке

Таким образом, модель течения со структурным ядром применима, когда напря­жение сдвига на стенках канала мало, то есть при малых объемных расходах или при значительных размерах поперечного сечения. Уравнение, описывающее течение с пре­делом текучести, представляют в виде:

Т = Т0 + ф • у". (7.4)

Это уравнение соответствует так называемой модели Гершеля-Балкли (см. так­же раздел 2.1.1.2) [18,19]. Возможность определения предела текучести с помощью капиллярных реометров рассмотрена в работе [9].

Скольжение на стенке. Проблема прилипания к стенкам канала (случай, когда скорость расплава на стенках канала равна нулю) для эластомеров на настоящий мо­мент еще не изучалась на серьезном научном уровне, так как исследования затрудне­ны техническими сложностями проверки гипотез. На основании исследований, про­веденных для композиций на основе натурального каучука, бутадиенстирольного каучука и хлоропренового каучука [9] и работ по литью эластомеров под давлением [8], можно сделать вывод о том, что проскальзыванием на стенках канала экструзион­ной головки можно пренебречь. Однако это предположение допустимо, только когда в функции вязкости отсутствуют нестабильности или если функции течения не за­висят от геометрии капилляра при измерениях, проводимых капиллярным реомет­ром. Естественно, что среди 10 ООО резиновых смесей, используемых в Германии на сегодняшний день, найдутся и такие, для которых характерно проскальзывание на стенках канала экструзионной головки. Однако учет этих частных случаев в обоб­щенном методе конструирования головок приведет лишь к повышению сложности и, соответственно, их стоимости. Многие эффекты, приписываемые влиянию про­скальзывания расплава на стенках канала, можно объяснить и другими причинами, например, влиянием диссипации в области высоких скоростей сдвига у стенки кана­ла или наличием у материала предела текучести [9].