Условия наступления неустойчивых режимов течения

При большой скорости деформирования напряжения в расплаве не успевают релаксировать, что обусловливает неустойчивость течения в каналах перерабатывающего оборудования, отличающуюся от явления турбулентности, наблюдаемого при течении низкомолекулярных жидкостей. Такая неустойчивость течения наступает при числе Рейнольдса (Re) на несколько порядков меньше критической величины Re при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному.

При достижении неустойчивого режима течения в процессе переработки термопластов качество экструдата резко снижается, наблюдаются колебания давления и расхода материала, а также другие нежелательные явления. Критическая скорость наступления неустойчивого режима течения определяет верхний допустимый предел  скорости экструзии при заданных размерах формующего инструмента.

Возможны два принципиально различных типа неустойчивого течения. Первый - "срыв" течения связан с переходом полимера  в вынужденное высокоэластическое состояние под действием больших скоростей и напряжений сдвига. Критерием оценки неустойчивости такого типа является критическое напряжение сдвига (кр). В этой точке на кривой течения появляется разрыв. Наблюдается резкое повышение скорости деформирования (на несколько порядков) в узком интервале скоростей сдвига. Расплав полимера не течет в канале, а скользит по его стенкам, что характерно для монодисперсных полимеров. В этом случае величина кр является константой для данного полимергомологического ряда и равна значению динамического модуля упругости на плато высокоэластичности. Как правило, кр = 105 - 106 Па. Явление "срыва" наблюдается также  при течении наполненных термопластов и переработке  концентрированных растворов полимеров.

При "мокром" смешении, например, твердых ингредиентов в растворителе в процессе синтеза полиимидов при напряжении на лопастях мешалки выше кр перемешивание прекращается и лопасти мешалки  проскальзывают по неподвижному раствору. Автоматическое регулирование таких процессов следует осуществлять  по максимальному крутящему моменту, а не максимальной скорости вращения.

При < кр расплавы термопластов характеризуются, как правило, высокой адгезией к внутренним поверхностям перерабатывающего оборудования. Исключение составляют наполненные термопласты, а также термопласты, содержащие остаток  растворителя после синтеза или олигомерные фракции, например, полипропилен, из которого не полностью удалены изопропиловый спирт и (или) атактическая фракция. При переработке смеси двух полимеров, значительно различающихся по вязкости, маловязкий компонент (плохой растворитель, олигомерная фракция или полимер с низкой вязкостью) отжимается к стенке канала, а боле вязкий компонент в потоке расплава не только течет, но и проскальзывает вдоль стенки канала.

Рассмотрим нормированную напорно-расходную характеристику круглого канала: эф = 4Q/R3 = 4vжR; = pR/2L; p - потери давления на течение в канале, p = pобщ - pвх; vж - средняя скорость жидкости. При отсутствии проскальзывания по стенке канала зависимость эф () одинакова для всех круглых каналов. Примем, что скорость проскальзывания (vст) не равна нулю. Тогда полный расход материала (Qп) можно вычислить по уравнению: 

 

Первый член правой части этого уравнения описывает движение расплава как целого, второй член - течение расплава. Преобразуя уравнение, получим: 

 

Из левой части последнего уравнения следует, что при бесконечно большой поверхности канала (R  ) проскальзывание исключается и Qп = Q.
Таким образом, при любом фиксированном значении  и построении зависимости  = 4Qп/R3 от 1/R получим, что 
п (0) = эф при соответствующей величине . Зная эф , можно вычислить vст при заданных значениях R и . Таким путем удалось доказать, что в условиях "срыва" течения эф = 0 и расплав не течет, а скользит по стенке канала.

Возможен также другой тип неустойчивости - разрушение расплава. Под действием растягивающих напряжений на входе в канал  расплав разрушается по механизму, описанному в разделе " растяжение расплавов полимеров". При этом поток жидкости теряет сплошность. При постоянном объемном расходе наблюдается колебание давления и из канала выходит негладкий экструдат. Для оценки наступления нерегулярного режима течения этого типа следует использовать поправку e = pвх/2. Критическая величина входовой поправки (eкр) не зависит от температуры расплава, гидростатического давления, объемного содержания дисперсного наполнителя в расплаве, условий затекания расплава в каналы разной геометрической формы и определяется только типом полимера матрицы. Значение eкрсоставляет, как правило, 6-7.