ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Вязкоупругое поведение расплава

При конструировании экструзионных головок упругие свойства расплава, т. е. способность расплава запасать в результате деформирования упругую энергию (так называемый «эффект памяти жидкости», см. раздел 2.13), как правило, не учитывают.

Однако упругие свойства приводят к возникновению побочных эффектов, важ­ных для конструкции головок. К их числу относятся:

• падение давления на входе в каналы при изменении поперечного сечения;

• возникновение циркуляционных течений на входе;

• разбухание экструдата на выходе из канала, вследствие которого поперечные сечения экструдата и канала экструзионной головки различаются;

• изменение диамегра, уменьшение длины и увеличение толщины стенок трубча­той заготовки при экструзии с раздувом;

• возникновение при соэкструзии нестабильностей в промежуточных слоях или на поверхностях вследствие вязкоупругой турбулентности [3].

Пренебрежение упругостью расплава может приводить к относительно большим ошибкам при расчете потерь давления. В работе [12] справедливость этого утвержде­ния показана на примере течения высокомолекулярного и, следовательно, обладаю­щего высокой упругостью, ПЭВП через выдувную экструзионную головку.

На рис. 4.21 показаны расчетные (расчет выполнен с помощью явного разностного метода) и экспериментальные графики перепадов давления, полученные при различ­ных значениях расхода. Как показывает практика, расчетные значения падения дав­ления всегда ниже измеренных, и эта ошибка возрастает с ростом давления в головке (что соответствует повышению расхода ). По-видимому, эта ошибка возникает вслед­ствие пренебрежения в расчетной модели вязкоупругими эффектами.

Влияние вязкоупругих явлений становится еще более выраженным при расчете разбухания экструдата. Как показано во многих работах (например, [15, 32, 33]),
коэффициент разбухания Sw в значительной мере определяется упругими свойства­ми расплава. Для экструзионных головок с каналами круглого сечения коэффициент разбухания представляет собой отношение

SW=D/D0, (4.58)

где — D0 диаметр отверстия экструзионной головки; D — диаметр экструдата.

Для ньютоновских жидкостей значение 5^ как правило, равно 1,13 (см., напри­мер, работы [34-36]), в то время как для упругих жидкостей характерны существенно более высокие значения, зависящие от времен релаксации и скоростей сдвига в про­цессе экструзии.

Рис. 4.21. Сравнение расчетных и экспери­ментальных перепадов давления в выдувной экструзионной головке

Существуют два существенно разных способа рассмотрения и учета упругих свойств расплава:

1. Блок-схема первого способа представлена на рис. 4.22. Сначала производится расчет поля скоростей в предположении чисто вязких свойств жидкости. Затем вы­полняется расчет упругих деформаций на основе подходящей модели течения мате­риала, после чего полученные результаты комбинируются с результатами, получен­ными в ходе предыдущего шага. На основе этих данных определяют коэффициент разбухания. Влиянием вязкоупругих свойств расплава на поле скоростей в этом спо­собе полностью пренебрегают.

2. Блок-схема второго метода расчета представлена на рис. 4.23. Сначала выпол­няется расчет поля скоростей в предположении чисто вязкого течения. Затем, на ос­новании полученного результата, производится расчет поля напряжений с учетом подходящего закона поведения материала. Далее полученное поле напряжений

Рис. 4.22. Блок-схема расчетного ме­тода без введения вязкоуп­ругого поведения материала в уравнения законов сохра­нения

Рис. 4.23. Блок-схема расчетного ме­тода, учитывающего вязко - упругое поведение матери­ала в уравнениях законов сохранения

используется в качестве входных данных в уравнении движения, на основе которых рассчитывают новое поле скоростей. Из этих результатов снова рассчитывают новое поле напряжений и т. д. Этот итерационный процесс прекращается, когда разница между результатами, полученными на двух последовательных итерациях, становится меньше заданного предельного значения или когда достигается максимально допус­тимое количество итераций. Данный метод уже учитывает влияние вязкоупругих свойств расплава на поле скоростей и распределение давлений.

Очевидно, что первый метод существенно проще второго. Метод 1, например, применяется в сочетании с явными разностными схемами [ 12, 16, 17] или методом конечных элементов [37,38]. В настоящее время такие расчеты легко реализуются на персональных компьютерах [12]. Метод 2 предъявляет существенно более высокие требования, так как:

• необходимо выполнять большое количество итераций;

• добиться сходимости вычислительного процесса часто невозможно, особенно при условии сильного влияния упругих свойств расплава [ 15,39-41 ].

Однако преимущество метода 2 заключается в том, что он позволяет учесть в рас­четах некоторые эффекты, проявляющиеся при реальном течении:

• образование циркуляционных течений на входе в канал или при его сужении;

• возникновение сдвигов пограничного слоя вследствие проявления упругих эф­фектов;

• изменение распределения скоростей вследствие проявляемой расплавом упру­гости;

• форму экструдата на выходе из экструзионной головки.

Метод 2, описанный в работах [15,39-41], на сегодняшний день интенсивно изу­чается. Цель проводимых исследований состоит в повышении сходимости метода и стабильности вычислительного процесса.

Еще одной проблемой является отсутствие универсального реологического зако­на, который был бы применим для любых деформаций самых разных материалов, или хотя бы для одного класса полимеров. Несмотря на то что к настоящему времени уже разработано много моделей, описывающих поведение различных материалов (обзорная информация о которых приведена, например, в работах [4,47-49]), уни­версальной модели, удовлетворяющей вышеприведенным требованиям, пока не су­ществует (см., например, раздел 2.1.3). Поэтому точность расчетов разбухания экс­трудата, как и других эффектов, зависящих от упругих свойств расплава, является ограниченной.