Возникновение нестабильностей при течении расплавов полимеров

Интересной особенностью реологии полимерных расплавов, в частности при течении по каналам, является возникновение нестабильностей, выражающихся в появлении искажений на струе расплава, выходящего из капилляра вискозиметра (или из головки экструдера). Искажения имеют сложный характер. Для изначально прозрачного и гладкого экструдата расплава полимера (рис. 2.86, а) с ростом скорости деформации наблюдается его помутнение (рис. 2.86, б). Затем на поверхности экструдата возникают мелкомасштабные шероховатости (эффект «акульей кожи»), затем появляется периодическая «винтовая нарезка» (рис. 2.86, в), при дальнейшем увеличении скорости сдвига появляются периодические изгибы струи и ее расширения (эффект «бамбука») (рис. 2.86, г) и, наконец, появляются крупномасштабные искажения неправильной формы (рис. 2.86, д).

Рис. 2.86. Фотографии искажений, возникающих на струе полиизопрена, вытекающей из капилляра вискозиметра, при различных скоростях сдвига: qY = -0,12 (а); -0,2 (б); 1,36 (в); 1,99 (г); 3,07 (д) [с¹].

Это явление получило название «эластической турбулентности» и, в отличие от турбулентного течения низкомолекулярных жидкостей, проявляется при очень малых числах Рейнольдса. Появление подобных нестабильностей является следствием не только внешних причин, например шероховатости канала или типа материала, из которого он изготовлен, а, в большей степени, следствием проявления вязкоупругих свойств полимерного расплава, связанных с возникновением растягивающих напряжений в зоне входа в канал (или головку экструдера).

Это явление характерно для течения расплавов полидисперсных полимеров (в том числе при шприцевании каучуковых смесей) и сопровождается более или менее заметным увеличением угла наклона кривых течения в двойных логарифмических координатах (т. е. показателя п в уравнении Оствальда-де Ваале). Для самых малых скоростей сдвига выходящая струя прозрачна и показатель п — 1. С появлением помутнений или периодических искажений величина показателя п падает и в первом приближении кривая течения приобретает вид, показанный на рис. 2.87 (справа). Этот эффект весьма важен и в практическом плане, так как при больших скоростях экструзии вызывает помутнение пленки, выходящей из кольцевой головки экструдера (при раздуве пленок), или приводит к появлению гофрированной поверхности при экструзии полимерных труб. Грубые искажения на поверхности резиновой смеси, выходящей из шприц-машины, неопытный технолог может принять за следствие чрезмерного разогрева смеси и ее подвулканизации. Для устранения подобных эффектов, напротив, можно несколько увеличить температуру экструдируемой массы, тем самым снизив ее вязкость. При этом величина напряжений, возникающих в канале, снизится и эффект уменьшится или вообще исчезнет.

Рис. 2.87. Схемы кривых течения расплавов монодисперсного полидисперсного полимера.

Срыв струи при течении монодисперсных полимеров — эффект спурта

Для монодисперсных полимеров (при ММР < 1,1) эффект проявления нестабильностей при течении проявляется гораздо резче и выражается в так называемом «срыве» течения (эффект спурта). При достижении скоростей сдвига, слишком высоких для перемещения больших макромолекул, попытка их деформирования приводит к реализации так называемой «вынужденной высокоэластичности», т. е. расплавленный материал переходит в «кожеподобное» состояние и скользит по поверхности канала. В этом случае реализуется кривая течения, представленная на рис. 2.87 (слева). При очень высоких напряжениях сдвига струя экструдата вновь становится гладкой. Этот эффект называется «сверхэкструзией» и иногда применяется в современных высокоскоростных методах переработки.