Влияние эластичности на течение полимеров

Эластичность расплавов и растворов полимеров оказывает вли­яние на течение и определяет отличия реологического поведения полимеров от гидродинамики простых жидкостей. Можно отметить как основные следующие формы проявления эластичности при те­чении полимеров.

1. Аномалия вязкости, как уже было показано, является наибо­лее прямым следствием эластических деформаций. Нарушение спо­собности к сегментальному движению в результате перехода макромолекулярного клубка в упругодеформированное состояние приводит к снижению затрат на внутреннее трение сегментов и к снижению вязкости. Поскольку процесс этот захватывает с ростом скорости сдвига все большее число молекул, вязкость постепенно падает, что характерно для полимеров с широким молекулярно-массовым распределением.

2. Эластичность в полимере в отличие от низкомолекулярных жидкостей приводит к постепенному нарастанию напряжений. На рис. 11.9 показано, как нарастают напряжения сдвига в системе, когда в ротационном вискозиметре мгновенно задается определен­ная скорость вращения цилиндра.

В низкомолекулярной жидкости, когда эластические деформации отсутствуют, сразу после включе­ния мотора устанавливается предельное напряжение сдвига (пока­зано пунктиром). В расплаве (или растворе) полимера напряжения возникают постепенно в соответствии с постепенным развитием эластических деформаций клубков макромолекул в направлении сдвига. При большой скорости сдвига флуктуационная сетка не может быстро разрушиться и в системе возникают напряжения, большие, чем те, которые могут быть обусловлены собственно соп­ротивлением вязкому течению. После разрушения флуктуационной сетки (скорость сдвига , ) касательные напряжения снижаются и достигается режим установившегося течения. Именно предельное значение напряжения в установившемся режиме течения берут для расчета вязкости путем деления на скорость сдвига в соответствии с законом Ньютона (11.1). Характер­но, что пиковые нагрузки, подобные показанным на рис. 11.9, могут в не­сколько раз превышать нагрузки в установившемся режиме переработки. Это обстоятельство приводит к необ­ходимости устанавливать на экструдерах, вальцах и каландрах значитель­но более мощные моторы, чем это требуется для поддержания устано­вившегося процесса течения в перера­батываемом материале.

3. Искажение формы струи, выхо­дящей из капилляра вискозиметра или из головки экструдера, как уже было показано, является следствием развития больших (до 500%) высокоэласти­ческих деформаций, что в конечном итоге приводит к скольжению поли­мера по стенкам капилляра и срыву струи.

4. Эластические деформации, накапливающиеся при течении, релаксируют при выходе из капилляра. Это приводит к сокращению струи. Если струя длинная (как, например, при непрерывном продавливании полимера через экструдер), то сокращение ее длины незаметно; однако оно проявляется в «разбухании» струи, увели­чении ее поперечного сечения по сравнению с сечением капилляра, как это показано на рис. 11.4. Чем выше эластичность расплава, тем больше увеличивается диаметр струи. Это явление приводит к необходимости сложных (и неточных) расчетов диаметра отверстия, которое обеспечит получение профиля экструдата необходимого диаметра и формы.

Эластичность полимера снижают либо повышением температуры переработки, либо снижением молекулярной массы, либо рецептурными факторами, например введением неэластичного (порошок мела) наполнителя, который снижает эластичность системы в це­лом. Температуру текучести можно также существенно понизить введением пластификатора. Пластифицированный полимер – это по существу концентрированный раствор полимера в пластифика­торе. Пластификатор облегчает относительное перемещение макро­молекул, что приводит к снижению вязкости и, следовательно, к сни­жению температуры текучести.

Итак, полимеры в вязкотекучем состоянии являются высоковяз­кими жидкостями, в которых наряду с течением развиваются зна­чительные эластические деформации. Если полимер имеет узкое молекулярно-массовое распределение, то, несмотря на проявление эластичности, он течет как ньютоновская жидкость. При широком молекулярно-массовом распределении в полимере развивается зна­чительная аномалия вязкости – зависимость вязкости от напряже­ния и скорости сдвига. При больших напряжениях сдвига разви­ваются столь значительные эластические деформации, что полимер оказывается упругонапряженным и перестает течь. Если же поли­мер находится в растворе, то распад узлов флуктуационной сетки и ориентации сегментов достигают некоторого предела, зависящего от природы полимера и концентрации раствора, когда далее с рос­том напряжения сдвига надмолекулярная структура больше не меняется и раствор снова течет как ньютоновская жидкость.

Дата добавления: 2014-01-04