Как избежать разрушения от перегрева при экструзии методом EP

Введение

Под «разрушением расплава» понимается явление, при котором в процессе экструзионного формования полимерные расплавы подвергаются поверхностной нестабильности, когда скорости сдвига превышают критический порог. Это приводит к тому, что поверхность экструдированного материала становится шероховатой и на ней появляются такие деформации, как «акулья кожа», неровности, узоры, напоминающие бамбук, или спиралеобразные искажения. Разрушение расплава может серьезно повлиять на качество продукции и эффективность производства.

Капиллярный реометр, являющийся прибором для реологических испытаний компании « classic », позволяет исследовать явления разрушения расплава в широком диапазоне скоростей сдвига и температур для различных материалов.

Поэтому в данном исследовании был использован капиллярный реометр Rosand RH10 компании « NETZSCH » (рис. 1) для систематического изучения влияния температуры, угла входа в матрицу и соотношения длины к диаметру матрицы на разрушение расплава в полиэтиленовых (ПЭ) материалах. Цель данного исследования — разработать рекомендации по технологиям переработки ПЭ в реальных производственных условиях, предотвратить возникновение разрушения расплава и, таким образом, повысить эффективность производства и качество изделий из ПЭ.

Условия измерения и метод испытаний

Условия измерения приведены в таблице 1.

Таблица 1: Условия измерения

После установки матриц под левым цилиндром и дожидания стабилизации температуры в цилиндр медленно засыпали гранулы полиэтилена, создали предварительное давление 1 МПа, а затем проводили предварительный нагрев при постоянной температуре в течение 5 минут. Затем прибор автоматически провел испытание в соответствии с заданной таблицей скоростей сдвига и зарегистрировал данные о давлении расплава, вязкости сдвига и температуре.

Результаты испытаний и обсуждение

Влияние температуры обработки на явление разрушения расплава полиэтилена

На рисунке 2 представлены кривые зависимости кажущейся сдвиговой^{вязкости¹} от кажущейся^{скорости сдвига²} для образцов ПЭ при различных температурах. Как показано на рисунке, кажущаяся сдвиговая вязкость образцов ПЭ постепенно уменьшается с увеличением скорости сдвига при любых температурных условиях, демонстрируя типичное поведение сдвигового разжижения. Это связано с тем, что сдвиговые силы внутри капиллярной матрицы разрушают переплетения между молекулярными цепями ПЭ, ослабляя межмолекулярные взаимодействия и, как следствие, приводя к снижению кажущейся сдвиговой вязкости. Кроме того, с повышением температуры свободный объем расплава ПЭ увеличивается, что повышает подвижность сегментов цепей и ослабляет межмолекулярные силы. В результате текучесть расплава ПЭ возрастает. Поэтому при одинаковой кажущейся скорости сдвига кажущаяся вязкость сдвига образцов ПЭ уменьшается с повышением температуры.

¹Кажущаяся сдвиговая вязкость —^этонепосредственно рассчитанная сдвиговая вязкость без поправки на поле течения или влияние входного сечения.

²Кажущаяся скорость сдвига — это непосредственно рассчитанная скорость сдвига без поправки на поле течения.

На рисунке 3 представлены фотографии морфологии поверхности расплавов ПЭ, экструдированных через капиллярную матрицу при различных температурах и скоростях сдвига. Как видно из рисунка, при относительно низких скоростях сдвига (не превышающих 300 с⁻¹) поверхности экструдированных изделий из ПЭ остаются относительно гладкими. Однако с увеличением скорости сдвига на поверхности экструдатов начинают появляться нерегулярные флуктуации. В частности, при температуре 200 °C в экструдате ПЭ при скорости сдвига 300 с⁻¹ происходит разрушение расплава. При повышении температуры до 220 °C критическая кажущаяся скорость сдвига, при которой начинается разрушение расплава, возрастает до 500 с⁻¹. Дальнейшее повышение температуры до 250 °C задерживает разрушение расплава до достижения кажущейся скорости сдвига 800 с⁻¹.

Такое поведение можно объяснить усилением теплового движения молекулярных цепей при более высоких температурах, которое противодействует эффектам ориентации и распутывания, вызываемым внешними сдвиговыми силами. По мере повышения температуры усиление движения молекулярных цепей приводит к увеличению критической скорости сдвига, необходимой для возникновения разрушения расплава. Таким образом, при условии сохранения достаточной прочности расплава повышение температуры обработки во время экструзии может эффективно улучшить качество поверхности изделий из полиэтилена.

Влияние угла входа в матрицу на феномен разрушения расплава изделий из полиэтилена

На рисунке 4 представлена морфология поверхности расплавов полиэтилена, экструдированных через капиллярные матрицы с различными углами входа при температуре 220 °C и различных скоростях сдвига. Как показано на рисунке, поверхности экструдированных изделий остаются относительно гладкими при низких кажущихся скоростях сдвига (не превышающих 500 ^с⁻¹). Однако с увеличением скорости сдвига на поверхности начинают появляться нерегулярные флуктуации. В частности, при угле входа в матрицу 180° разрыв расплава происходит при кажущейся скорости сдвига 500 ^с⁻¹.

Напротив, при использовании матрицы с углом входа 90° критическая кажущаяся скорость сдвига, при которой начинается разрушение расплава, увеличивается до 800 с⁻¹. Это явление можно объяснить резким сужением линий течения расплава при переходе полимера из цилиндра в матрицу с меньшим углом входа, что приводит к появлению значительной компоненты удлиняющего течения. При высокоскоростном удлинении молекулярные цепи ПЭ становятся высокоориентированными, что приводит к усилению упругого восстановления после выхода из матрицы. Это приводит к увеличению набухания в матрице. Одновременно концентрация растягивающих напряжений может легко инициировать разрушение расплава. Поэтому уменьшение угла входа в матрицу может способствовать получению более гладких изделий из ПЭ.

Влияние отношения длины к диаметру матрицы на процесс разрушения расплава полиэтилена способствует получению более гладких изделий из полиэтилена

На рисунке 5 представлены фотографии морфологии поверхности расплавов полиэтилена, экструдированных через капиллярные матрицы с различными соотношениями длины к диаметру (L/D) при разных кажущихся скоростях сдвига. Как можно заметить, при относительно низких кажущихся скоростях сдвига (не превышающих 300 ^с⁻¹) поверхности экструдированных изделий из ПЭ остаются гладкими. Однако по мере увеличения скорости сдвига начинают появляться нерегулярные флуктуации. В частности, при соотношении L/D, равном 8:1, разрушение расплава происходит при кажущейся скорости сдвига 300 ^с⁻¹. Напротив, при соотношениях L/D 16:1 или 32:1 критическая скорость сдвига, при которой начинается разрушение расплава, увеличивается до 500 ^с⁻¹.

Однако при изучении увеличенных изображений морфологии экструдата при скорости сдвига 500 ^с⁻¹ видно, что поверхность экструдата, полученного при соотношении L/D 32:1, более гладкая, чем у экструдата, полученного при соотношении 16:1. Такое поведение объясняется тем, что меньшее соотношение L/D матрицы приводит к сокращению времени релаксации молекулярных цепей полиэтилена внутри капилляра. В результате упругая энергия, накопленная во время течения, не может быть полностью высвобождена, что делает расплав более подверженным разрушению. Поэтому регулировка соотношения L/D матрицы также может быть эффективным методом улучшения качества поверхности изделий из ПЭ.

Заключение

В данной работе с помощью капиллярного реометра Rosand RH10 компании « NETZSCH » были исследованы морфологические изменения экструдатов полиэтилена (ПЭ) при различных скоростях сдвига, температурах, углах входа в матрицу и соотношениях длины матрицы к диаметру. При скорости сдвига ниже определенного критического порога поверхности экструдатов оставались гладкими. Когда скорость сдвига превышала это критическое значение, поверхность экструдатов ПЭ становилась шероховатой и возникало разрушение расплава. Было отмечено, что повышение температуры переработки, уменьшение угла входа в матрицу и использование большего отношения длины матрицы к её диаметру способствовали подавлению явления разрушения расплава. Кроме того, поскольку морфология поверхности экструдированных изделий из ПЭ изучалась только при дискретных значениях скорости сдвига, для точного определения критической скорости сдвига, при которой начинается разрушение расплава, рекомендуется провести более детальное исследование с использованием режима испытания на разрушение расплава.