Wprowadzenie
Pęknięcie stopu to zjawisko, w którym stopy polimerowe ulegają niestabilności powierzchniowej podczas formowania ekstruzyjnego, gdy prędkości ścinania przekraczają próg krytyczny. Powoduje to, że powierzchnia ekstrudowanego materiału staje się chropowata i wykazuje odkształcenia, takie jak „skóra rekina”, nierówności, wzory przypominające bambus lub spiralne zniekształcenia. Pęknięcie stopu może poważnie wpłynąć na jakość produktu i wydajność produkcji.
Jako przyrząd do badań reologicznych typu „ classic ”, reometr kapilarny umożliwia badanie zjawiska pękania stopu w szerokim zakresie szybkości ścinania i temperatur dla różnych materiałów.
Dlatego w niniejszym badaniu wykorzystano reometr kapilarny Rosand RH10 firmy NETZSCH (rysunek 1) w celu systematycznego zbadania wpływu temperatury, kąta wlotowego matrycy oraz stosunku długości do średnicy matrycy na pękanie stopu w materiałach polietylenowych (PE). Celem niniejszych badań jest opracowanie wytycznych dotyczących technik przetwarzania PE w rzeczywistych warunkach produkcyjnych, zapobieganie występowaniu pękania stopu, a tym samym zwiększenie wydajności produkcji i poprawę jakości produktów z PE.
Warunki pomiaru i metoda badawcza
Warunki pomiaru zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Urządzenie | NETZSCH Rosand RH10 |
| Próbki | Polietylen |
| Przetwornik ciśnienia | 10 000 psi |
| Temperatura testowa | 180°C/220°C/250°C |
| Zakres szybkości ścinania | od 50 do 1000/s |
Specyfikacja matrycy | |
Długość matrycy, średnica i kąt wejścia |
|
Po zamontowaniu matryc pod lewą komorą i odczekaniu, aż temperatura się ustabilizuje, do komory powoli dodawano granulki PE, wstępnie zwiększano ciśnienie do 1 MPa, a następnie podgrzewano w stałej temperaturze przez 5 minut. Następnie urządzenie automatycznie przeprowadziło badanie zgodnie z ustawioną tabelą prędkości ścinania i zarejestrowało dane dotyczące ciśnienia stopu, lepkości ścinającej oraz temperatury.
Wyniki badań i omówienie
Wpływ temperatury przetwarzania na zjawisko pękania stopu polietylenu (PE)
Na rysunku 2 przedstawiono krzywe zależności pozornejlepkości ścinającej¹ od pozornejprędkości ścinania² dla próbek PE w różnych temperaturach. Jak widać na rysunku, pozorna lepkość ścinająca próbek PE stopniowo maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania we wszystkich warunkach temperaturowych, wykazując typowe zachowanie rozrzedzania przy ścinaniu. Wynika to z faktu, że siły ścinające występujące w matrycy kapilarnej rozbijają sploty między łańcuchami molekularnymi PE, zmniejszając oddziaływania międzycząsteczkowe, co w konsekwencji prowadzi do spadku pozornej lepkości ścinającej. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury wolna objętość stopionego PE zwiększa się, poprawiając ruchliwość segmentów łańcuchów i osłabiając siły międzycząsteczkowe. W rezultacie wzrasta płynność stopionego PE. Dlatego przy tej samej pozornej prędkości ścinania pozorna lepkość ścinająca próbek PE maleje wraz ze wzrostem temperatury.
1Pozornalepkośćścinająca to bezpośrednio obliczona lepkość ścinająca bez korekty uwzględniającej pole przepływu lub efekty związane z wlotem.
2Pozorna prędkość ścinania to bezpośrednio obliczona prędkość ścinania bez korekty uwzględniającej pole przepływu.
Rysunek 3 przedstawia zdjęcia morfologii powierzchni stopów PE wytłaczanych przez matrycę kapilarną w różnych temperaturach i przy różnych prędkościach ścinania. Jak widać na rysunku, przy stosunkowo niskich prędkościach ścinania (nieprzekraczających 300 s⁻¹) powierzchnie wytłoczków z PE pozostają stosunkowo gładkie. Jednak wraz ze wzrostem szybkości ścinania na powierzchni wytłoczków zaczynają pojawiać się nieregularne fluktuacje. W szczególności w temperaturze 200°C w wytłoczce z PE dochodzi do pękania stopu przy szybkości ścinania wynoszącej 300 s⁻¹. Gdy temperatura wzrasta do 220°C, krytyczna pozorna prędkość ścinania powodująca początek pękania stopu wzrasta do 500 s⁻¹. Dalszy wzrost temperatury do 250°C opóźnia pękanie stopu aż do osiągnięcia pozornej prędkości ścinania wynoszącej 800 s⁻¹.
Zjawisko to można przypisać wzmożonemu ruchowi termicznemu łańcuchów molekularnych w wyższych temperaturach, który przeciwdziała efektom orientacji i rozplątywania wywoływanym przez zewnętrzne siły ścinające. Wraz ze wzrostem temperatury nasilony ruch łańcuchów molekularnych powoduje wzrost krytycznej szybkości ścinania wymaganej do wystąpienia pękania stopu. Dlatego też, pod warunkiem utrzymania wystarczającej wytrzymałości stopu, podwyższenie temperatury przetwarzania podczas wytłaczania może skutecznie poprawić jakość powierzchni wyrobów z PE.
Wpływ kąta wejścia matrycy na zjawisko pękania stopu w wyrobach z PE
Rysunek 4 przedstawia morfologię powierzchni stopów PE wytłaczanych przez matryce kapilarne o różnych kątach wejścia w temperaturze 220°C przy różnych prędkościach ścinania. Jak widać na rysunku, powierzchnie wytłoczków pozostają stosunkowo gładkie przy niskich prędkościach ścinania pozornego (nieprzekraczających 500 s-1). Jednak wraz ze wzrostem szybkości ścinania na powierzchni zaczynają pojawiać się nieregularne fluktuacje. W szczególności, gdy kąt wejścia w matrycę wynosi 180°, pękanie stopu następuje przy pozornej szybkości ścinania wynoszącej 500 s⁻¹.
Natomiast w przypadku zastosowania matrycy o kącie wejścia wynoszącym 90°, krytyczna pozorna prędkość ścinania powodująca początek pękania stopu wzrasta do 800 s⁻¹. Zjawisko to można przypisać gwałtownemu zwężeniu się linii prądu stopu, gdy polimer przepływa z cylindra do matrycy o mniejszym kącie wejściowym, co wprowadza znaczną składową przepływu rozciągającego. Pod wpływem szybkiego rozciągania łańcuchy molekularne PE ulegają silnej orientacji, co prowadzi do zwiększonego powrotu sprężystego po opuszczeniu matrycy. Skutkuje to zwiększonym pęcznieniem w matrycy. Jednocześnie koncentracja naprężeń rozciągających może łatwo wywołać pękanie stopu. Dlatego zmniejszenie kąta wejścia w matrycę może przyczynić się do uzyskania produktów z PE o gładkiej powierzchni.
Wpływ stosunku długości do średnicy matrycy na zjawisko pękania stopu PE – czynnik przyczyniający się do uzyskania produktów z PE o gładkiej powierzchni
Rysunek 5 przedstawia zdjęcia morfologii powierzchni stopów PE wytłaczanych przez matryce kapilarne o różnych stosunkach długości do średnicy (L/D) przy różnych pozornych prędkościach ścinania. Jak widać, przy stosunkowo niskich pozornych prędkościach ścinania (nieprzekraczających 300 s⁻¹) powierzchnie wytłoczków z PE pozostają gładkie. Jednak wraz ze wzrostem prędkości ścinania zaczynają pojawiać się nieregularne fluktuacje. W szczególności, gdy stosunek L/D wynosi 8:1, pękanie stopu następuje przy pozornej prędkości ścinania wynoszącej 300 s⁻¹. Natomiast przy stosowaniu stosunków L/D wynoszących 16:1 lub 32:1 krytyczna prędkość ścinania powodująca pęknięcie stopu wzrasta do 500 s⁻¹.
Jednak po przeanalizowaniu powiększonych zdjęć morfologii wytłoczki przy szybkości ścinania wynoszącej 500 s⁻¹ widać, że powierzchnia wytłoczki wytworzonej przy stosunku L/D wynoszącym 32:1 jest gładsza niż w przypadku wytłoczki wytworzonej przy stosunku 16:1. Zjawisko to wynika z faktu, że mniejszy stosunek L/D matrycy powoduje skrócenie czasu relaksacji łańcuchów molekularnych PE w kapilarze. W konsekwencji energia sprężysta zgromadzona podczas przepływu nie może zostać w pełni uwolniona, co sprawia, że stopiony materiał jest bardziej podatny na pękanie. Dlatego też dostosowanie stosunku L/D matrycy może być również skuteczną metodą poprawy jakości powierzchni produktów z PE.
Wnioski
W niniejszej pracy zbadano zmiany morfologiczne wycisków z polietylenu (PE) przy różnych prędkościach ścinania, w różnych temperaturach, przy różnych kątach wejścia do matrycy oraz przy różnych stosunkach długości matrycy do jej średnicy, wykorzystując reometr kapilarny Rosand RH10 firmy NETZSCH. Poniżej pewnego krytycznego progu prędkości ścinania wyciski wykazywały gładkie powierzchnie. Gdy prędkość ścinania przekraczała tę wartość krytyczną, powierzchnia wytłoczków z PE stawała się chropowata i dochodziło do pękania stopu. Zaobserwowano, że zwiększenie temperatury przetwarzania, zmniejszenie kąta wejścia do matrycy oraz zastosowanie większego stosunku długości matrycy do jej średnicy przyczyniały się do ograniczenia zjawiska pękania stopu. Ponadto, ponieważ morfologię powierzchni wytłoczek z PE badano jedynie przy dyskretnych wartościach szybkości ścinania, zaleca się przeprowadzenie bardziej szczegółowych badań z wykorzystaniem trybu testu pękania stopu w celu dokładnego określenia krytycznej szybkości ścinania, przy której następuje pękanie stopu.