Процессы формования и экструзии
Интенсификация процессов переработки полимерных материалов направлена на изменение характера течения неньютоновских жидкостей [4]. Акустические воздействия позволяют реализовать различные эффекты, влияющие на реологические свойства полимеров. Эти эффекты можно условно разделить на две группы: поверхностные и объемные. Поверхностные эффекты проявляются на границах раздела расплавов с твердой фазой. Они сопровождаются существенным уменьшением адгезии и, как следствие, изменением характера течения вблизи твердых поверхностей. В частности, можно отметить следующие эффекты при периодическом режиме деформирования: нарушение структурных связей, носящее как тиксотронный, так и деструктивный характер; переход в высокоэластичное состояние и уменьшение вязкости, связанное с увеличением температуры поверхностных слоев за счет поглощения энергии и увеличения теплообмена со стенкой; кавитацию и др.Совокупность воздействия поверхностных эффектов приводит к пристенному скольжению полимерных материалов, существенно влияющему на различные технологические процессы их формования. Воздействие колебаний на упруго-вязко пластичные материалы приводит к резкому уменьшению предельного напряжения сдвига или его полному устранению. Бингамовские пластики при этом превращаются в ньютоновскую жидкость. Воздействия колебаний на сыпучие системы приводят к их ожижению.
Задача распространения волн в вязкоупругой среде достаточно сложна, однако наложение механических колебаний и волн позволяет целенаправленно управлять физико-механическими (структурными и реологическими) характеристиками веществ, что может быть использовано для интенсификации разнообразных процессов переработки полимерных материалов и композиций.
Ультразвуковые колебания используются для интенсификации процесса литьевого формования изделий. В этом случае колебания подают либо на сопло, либо непосредственно на литьевую форму.
При воздействии акустических колебаний на расплав полимера вследствие реологической нелинейности среднеинтегральная скорость заполнения формы возрастает в несколько раз, в 2—3 раза увеличивается предельная длина затекания формуемой массы в литьевую полость, интенсифицируется процесс нарастания и выравнивания давления в форме, в 1,5—1,7 раза уменьшаются механические энергозатраты на формование.
Использование акустических колебаний делает возможным переработку способом литьевого формования высоковязких композиций, например высокомолекулярного полиэтилена, который обычно перерабатывается прессованием.
Дегазация полимера в акустическом поле благоприятно сказывается на монолитности и четкости конфигураций изделий. Даже толстостенные изделия в этом случае формуются без пузырей, раковин и утяжин. Это приводит к 3—5-кратному повышению прочностных показателей отливок.
Акустическая аппаратура для литьевого формования серийно не выпускается, а разрабатывается по специальным заказам.
При экструзии полимеров большое значение имеет возможность повышения скорости процесса без деформации и дробления струи материала.
Одно из решений этой проблемы — резкое уменьшение силы трения полимера о стенки канала экструдера, что достигается действием акустических колебаний. Это объясняется тем, что в пограничном слое, толщина которого значительно меньше толщины стенки изделия, периодически происходит деформация полимера. В результате ряда явлений (переход в высокопластичнoe состояние, разрушение надмолекулярной структуры, повышения температуры и др.) меняются адгезионно-фрикционные свойства полимера, вызывающие существенное снижение трения. При напорном течении это приводит к резкому увеличению объемного расхода.
Так, при полном отсутствии адгезионной связи текущего полимера с одной из поверхностей щелевого канала при исчезновении трения на одной из стенок щели объемный расход ньютоновских жидкостей увеличивается в 4 раза, а вязких полимеров — в несколько десятков раз.
У полидисперсных систем, к которым относятся промышленные полимеры, переход в высокоэластичное состояние всех компонентов возможен только на сравнительно высоких акустических частотах. Так, для увеличения в 5—10 раз объемного расхода ударопрочного полистирола и поливинилхлорида при неизменном перепаде давления необходимо воздействовать акустическими колебаниями частотой 18—22 кГц при амплитуде колебаний стенки канала в 8—20 мкм.
Несколько менее эффективно воздействие акустических колебаний на увеличение объемной скорости резиновых смесей. Так, при профилировании резиновых смесей пластичностью в 0,30—0,37 скорость шприцевания удается повысить всего лишь в 1,5—2 раза.
Использование акустических колебаний наиболее эффективно для производства труб, листов и толстых пленок, когда процесс происходит при низких скоростях экструзии.
