Cum se poate evita ruperea prin topire în timpul extrudării EP

Introducere

Fractura topiturii se referă la fenomenul prin care topiturile polimerice suferă instabilitate la suprafață în timpul turnării prin extrudare, atunci când vitezele de forfecare depășesc un prag critic. Acest lucru determină asperitatea suprafeței materialului extrudat, care prezintă deformări precum „piele de rechin”, denivelări, modele asemănătoare bambusului sau distorsiuni spirale. Fractura topiturii poate afecta grav calitatea produsului și eficiența producției.

Ca instrument de testare reologică classic, reometrul capilar permite investigarea fenomenelor de fractură a topiturii într-o gamă largă de viteze de forfecare și temperaturi pentru diverse materiale.

Prin urmare, în acest studiu, s-a utilizat un reometru capilar Rosand RH10 de la NETZSCH (figura 1) pentru a investiga sistematic efectele temperaturii, unghiul de intrare al matriței și raportul lungime-diametru al matriței asupra fracturii topiturii în materialele din polietilenă (PE). Această cercetare își propune să ofere îndrumări privind tehnicile de prelucrare a PE în producția reală, să prevină apariția fracturării topiturii și, prin urmare, să îmbunătățească eficiența producției și calitatea produselor din PE.

Condiții de măsurare și metodă de testare

Condițiile de măsurare sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1: Condiții de măsurare

După montarea matrițelor sub cilindrul stâng și după ce s-a așteptat stabilizarea temperaturii, s-au adăugat treptat granule de PE în cilindru, care a fost presurizat în prealabil la 1 MPa, iar apoi s-a preîncălzit la o temperatură constantă timp de 5 minute. Ulterior, instrumentul a efectuat automat testul conform tabelului prestabilit de viteze de forfecare și a înregistrat informațiile privind presiunea topiturii, vâscozitatea la forfecare și temperatura.

Rezultatele testelor și discuții

Influența temperaturii de prelucrare asupra fenomenului de rupere prin Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a PE-ului

Figura 2 prezintă curbele^{vâscozității} aparente la^forfecare¹ în funcție de^viteza aparentă de^forfecare² pentru probele de PE la diferite temperaturi. După cum se poate observa, vâscozitatea aparentă la forfecare a probelor de PE scade treptat odată cu creșterea vitezei de forfecare în toate condițiile de temperatură, prezentând un comportament tipic de fluidizare la forfecare. Acest lucru se datorează faptului că forțele de forfecare din interiorul matriței capilare întrerup împletirile dintre lanțurile moleculare de PE, reducând interacțiunile intermoleculare și conducând, în consecință, la o scădere a vâscozității aparente la forfecare. În plus, pe măsură ce temperatura crește, volumul liber al topiturii de PE se extinde, sporind mobilitatea segmentelor de lanț și slăbind forțele intermoleculare. Ca urmare, fluiditatea topiturii de PE crește. Prin urmare, pentru aceeași viteză aparentă de forfecare, vâscozitatea aparentă la forfecare a probelor de PE scade odată cu creșterea temperaturii.

^{1Vâscozitatea}aparentă la forfecare este vâscozitatea la forfecare calculată direct, fără corecție pentru câmpul de curgere sau efectele de intrare.

^2Vitezade forfecare aparentă este viteza de forfecare calculată direct, fără corecție pentru câmpul de curgere.

Figura 3 prezintă fotografii ale morfologiei suprafeței topiturilor de PE extrudate printr-o matriță capilară la diferite temperaturi și viteze de forfecare. După cum se poate observa din figură, la viteze de forfecare relativ scăzute (care nu depășesc 300 s⁻¹), suprafețele extrudatelor din PE rămân relativ netede. Cu toate acestea, pe măsură ce viteza de forfecare crește, încep să apară fluctuații neregulate pe suprafața extrudatelor. Mai precis, la 200 °C, în extrudatul de PE are loc ruperea topiturii la o viteză de forfecare de 300 s⁻¹. Când temperatura este crescută la 220 °C, viteza de forfecare aparentă critică pentru apariția fracturii prin Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire crește la 500 s⁻¹. O creștere suplimentară a temperaturii la 250 °C amână fractura prin Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire până la atingerea unei viteze de forfecare aparente de 800 s⁻¹.

Acest comportament poate fi atribuit mișcării termice intensificate a lanțurilor moleculare la temperaturi mai ridicate, care contracarează efectele de orientare și dezîncurcare impuse de forțele de forfecare externe. Pe măsură ce temperatura crește, mișcarea intensificată a lanțurilor moleculare ridică viteza critică de forfecare necesară pentru ca fractura topiturii să aibă loc. Prin urmare, cu condiția menținerii unei rezistențe suficiente a materialului topit, creșterea temperaturii de prelucrare în timpul extrudării poate îmbunătăți în mod eficient calitatea suprafeței produselor din PE.

Influența unghiului de intrare în matriță asupra fenomenului de fracturare a masei topite la produsele din PE

Figura 4 prezintă morfologia suprafeței topiturilor de PE extrudate prin matrițe capilare cu unghiuri de intrare diferite, la 220 °C și cu diverse viteze de forfecare. După cum se observă în figură, suprafețele extrudatului rămân relativ netede la viteze aparente de forfecare scăzute (care nu depășesc 500 ^s-1). Cu toate acestea, pe măsură ce viteza de forfecare crește, încep să apară fluctuații neregulate la suprafață. Mai precis, atunci când unghiul de intrare în matriță este de 180°, fracturarea topiturii are loc la o viteză de forfecare aparentă de 500 ^s⁻¹.

În schimb, atunci când se utilizează o matriță cu un unghi de intrare de 90°, viteza aparentă critică de forfecare pentru apariția fracturii topiturii crește la 800 s⁻¹. Acest fenomen poate fi atribuit contracției bruște a liniilor de curgere ale materialului topit pe măsură ce polimerul curge din cilindru într-o matriță cu un unghi de intrare mai mic, introducând o componentă semnificativă de curgere prin alungire. În condiții de alungire la viteză mare, lanțurile moleculare de PE devin puternic orientate, ceea ce duce la o recuperare elastică îmbunătățită după ieșirea din matriță. Acest lucru are ca rezultat o umflare crescută a materialului în matriță. Concomitent, concentrarea tensiunilor de întindere poate declanșa cu ușurință ruperea materialului topit. Prin urmare, reducerea unghiului de intrare al matriței poate contribui la obținerea unor produse din PE cu o suprafață mai netedă.

Influența raportului lungime-diametru al matriței asupra fenomenului de fracturare a masei topite de PE contribuie la obținerea unor produse din PE cu o suprafață mai netedă

Figura 5 prezintă fotografii ale morfologiei suprafeței materialelor topite din PE extrudate prin matrițe capilare cu diferite rapoarte lungime-diametru (L/D) și cu diverse viteze aparente de forfecare. După cum se poate observa, la viteze de forfecare aparente relativ scăzute (care nu depășesc 300 ^s-1), suprafețele extrudatelor din PE rămân netede. Cu toate acestea, pe măsură ce viteza de forfecare crește, încep să apară fluctuații neregulate. Mai precis, atunci când raportul L/D este de 8:1, fracturarea topiturii are loc la o viteză de forfecare aparentă de 300 ^s-1. În schimb, atunci când se utilizează raporturi L/D de 16:1 sau 32:1, viteza de forfecare critică pentru apariția fracturii prin Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire crește la 500 ^s⁻¹.

Cu toate acestea, la examinarea imaginilor mărite ale morfologiei extrudatului la o viteză de forfecare de 500 ^s⁻¹, se poate observa că suprafața extrudatului obținut cu un raport L/D de 32:1 este mai netedă decât cea a extrudatului obținut cu un raport de 16:1. Acest comportament se datorează faptului că un raport L/D mai mic al matriței duce la un timp de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare mai scurt pentru lanțurile moleculare de PE în interiorul capilarului. În consecință, energia elastică stocată în timpul curgere nu poate fi eliberată complet, ceea ce face ca masa topită să fie mai predispusă la rupere. Prin urmare, ajustarea raportului L/D al matriței poate fi, de asemenea, o metodă eficientă de îmbunătățire a calității suprafeței produselor din PE.

Concluzie

În această lucrare, s-au investigat modificările morfologice ale extrudatelor de polietilenă (PE) la diverse viteze de forfecare, la temperaturi diferite, unghiuri de intrare în matriță și rapoarte lungime-diametru ale matriței, utilizând un reometru capilar Rosand RH10 de la NETZSCH. Sub un anumit prag critic al vitezei de forfecare, extrudatele prezentau suprafețe netede. Atunci când viteza de forfecare a depășit această valoare critică, suprafața extrudatelor din PE a devenit rugoasă și a apărut fractura topiturii. S-a observat că creșterea temperaturii de prelucrare, reducerea unghiului de intrare în matriță și utilizarea unui raport lungime-diametru al matriței mai mare au contribuit toate la suprimarea fenomenului de fractură a topiturii. În plus, întrucât morfologia suprafeței extrudatelor din PE a fost examinată doar la valori discrete ale vitezei de forfecare, se recomandă o investigație mai detaliată folosind modul „Melt Fracture Test” (Test de fractură a topiturii) pentru a determina cu precizie viteza de forfecare critică la care apare fractura topiturii.