ХФ ВМС; Учебное пособие. Химия и физика высокомолекулярных соединений
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
164 Известно, что при течении ньютоновской жидкости в цилиндрическом канале имеет место параболическое распределение скоростей слоев жидкости по радиусу канала: ?????? = Δ?????? 4???????????? (?????? 2 − ?????? 2 ) , где v – скорость течения жидкости на расстоянии r от оси канала; Δр − перепад давлений на концах канала; l – длина канала; η – вязкость; R – радиус канала. Такое же распределение скоростей характерно для участка наибольшей ньютоновской вязкости полной кривой течения. Но с отставанием релаксационных процессов от нарастания скорости сдвига в полимере увеличивается доля напряженных, ориентированных в направлении течения структур. Между ориентированными относительно друг друга макромолекулами образуются дополнительные флуктуационные связи с большим временем жизни. В этом случае распределение скоростей течения по сечению канала, которому отвечает структурный участок полной кривой течения, описывается уравнением параболы (n + 1)-го порядка: ?????? = ?????? −1 2 ?????? (?????? + 1) ( Δ?????? ?????? ) ?????? (?????? ??????+1 − ?????? ??????+1 ) . При индексе течения расплава n = 1 это уравнение превращается в уравнение для ньютоновской жидкости. При увеличении индекса течения параболоид распределения скоростей трансформируется и при n = 6 напоминает пробку (рис. 2.24). Такой режим течения называют пробочным, а само течение сопровождается срывом потока – скольжением расплава по стенке канала. Рис. 2.24. Эпюры распределения скоростей течения: I – в ньютоновских жидкостях; II – в расплавах полимеров при разных значениях индекса течения. Заштрихована область пробочного течения 165 9.4.4. Проявление эффекта нормальных напряжений при течении расплавов полимеров Известно, что ньютоновские жидкости при перемешивании образуют воронку, а при вытекании их из канала имеет место сужение струи. У расплавов и концентрированных растворов полимеров, являющихся упруго- вязкими жидкостями, в тех же условиях эффекты имеют противоположный характер. Перемешивание расплавов полимеров сопровождается их заползанием на вертикальную поверхность вращающегося вала (рис. 2.25). Это явление получило название эффект Вайсенберга. При истечении из канала сечение струи превышает сечение канала, а поверхность струи покрывается морщинами и складками. Причина вышеперечисленных аномальных явлений – возникновение при течении, одновременно со сдвиговыми −, нормальных напряжений, обусловленных проявлением высокоэластической деформации при течении. В большей степени они накапливаются в срединных слоях потока, где скорость сдвига выше. Стремясь принять равновесное состояние, напряженные области текущего расплава стремятся сжаться в продольном направлении потока, распирая периферийные в поперечном направлении. Поэтому при выходе из канала струя расширяется и покрывается складками. Это явление называют эффект разбухания струи. Между диаметром канала D и диаметром струи расплава d существует соотношение: ?????? ?????? = √ 2?????? + 1 3?????? + 1 Природа эффекта Вайсенберга также заключается в проявлении нормальных напряжений, стремящихся переместить массу расплава в область меньших сдвиговых напряжений, где условия для релаксации лучше. Этот эффект имеет практическое значение. Например, его реализуют в дисковых экструдерах (рис 2.26). Измельченный термопласт подается в узкий зазор между вращающимся и неподвижным дисками. Материал нагревается за счет обогреваемого диска и трения. За счет разницы скоростей слоев расплава возникает нормальное напряжение, направленное к оси экструдера. а б Рис. 2.25. Поведение при перемешивании ньютоновских жидкостей (а) и расплавов полимеров (б) Рис. 2.26. Принципиальная схема дискового экструдера 166 Расплав смещается в направлении вектора нормального напряжения и вытекает через сопло в центре неподвижного диска. |