Если открыть водопроводный кран, струя воды под действием силы тяжести и законов гидродинамики будет постепенно сужаться в поперечнике. Это привычное поведение для большинства классических жидкостей: они принимают форму канала, по которому текут, и не сопротивляются внешнему воздействию.
Однако при переработке полимеров, например, полиэтилена или полипропилена, этот базовый физический принцип перестаёт работать. Об этом сегодня мы и расскажем.
Физика полимеров
Если продавить расплавленный пластик через круглое отверстие формующего инструмента (фильеру), выходящий поток, или экструдат, прямо на срезе внезапно увеличится в диаметре. В зависимости от условий переработки, толщина струи может превысить диаметр самого отверстия в два, три или более раз.
В физике полимеров этот феномен называют эффектом Барруса, или разбуханием экструдата. В его основе лежит уникальное свойство высокомолекулярных соединений — вязкоупругость и молекулярная память.
Механизм явления
Причина разного поведения воды и полимерного расплава кроется в их микроструктуре. Вода — простая жидкость с крошечными молекулами, которые легко скользят друг мимо друга, поэтому её вязкость всегда стабильна. Расплав полимера — это запутанная, подвижная и взаимопроникающая система из длинных макромолекул, которые в состоянии покоя свёрнуты в хаотичные клубки.
Когда этот расплав под давлением поступает в фильеру, происходит следующее:
- Деформация: попадая в узкое отверстие, молекулы вынуждены вытянуться и ориентироваться вдоль направления потока.
- Накопление энергии: в процессе вынужденной ориентации макромолекулы накапливают высокоэластическую деформацию, стремясь вернуться в исходную форму. Внутри материала формируется сильное внутреннее механическое напряжение.
- Релаксация на выходе: расплав покидает границы канала, удерживающие стенки исчезают, а внешнее давление падает до атмосферного. Макромолекулы тут же возвращаются к термодинамически выгодному состоянию, а именно, скручиваются обратно в клубки. Они сокращаются по длине и одновременно расширяются в радиальном направлении. В результате весь объём выходящего пластика резко увеличивается.
Интересный факт. Степень проявления эффекта Барруса напрямую зависит от температуры. Чем ниже температура расплава, тем труднее молекулам перестраиваться, а накопленное напряжение становится выше. В итоге такой расплав увеличивается в объёме гораздо сильнее. Кроме того, эффект Барруса зависит от полидисперсности (ширины молекулярно-массового распределения): чем она выше, тем более выражено разбухание расплава, и наоборот.
Эффект срыва потока
Попытка ускорить производство и увеличить скорость экструзии полимерного расплава выше критической отметки приводит к ещё одному специфическому явлению. В реологии его называют эффектом срыва потока, эластической турбулентностью или разрушением расплава. Он возникает, когда упругие силы полимера начинают преобладать над вязкими.
В обычных условиях пристеночные слои полимера движутся медленнее центральных за счёт трения о металлические стенки канала. Однако при слишком высоких скоростях и давлении напряжение сдвига на границе «металл — расплав» достигает предела. Тогда и проявляется этот эффект:
- Потеря адгезии: в пристеночной зоне полимер на доли секунды теряет сцепление с металлом и проскальзывает вперёд.
- Периодический срыв: скольжение резко снижает внутреннее давление, полимер снова «цепляется» за стенку, напряжение мгновенно накапливается, и происходит новый срыв.
- Искажение геометрии: этот цикличный процесс происходит с высокой частотой. Из-за постоянных скачков давления и неравномерной релаксации макромолекул поверхность выходящего материала становится неровной или волнистой.
При определённых геометрических параметрах канала и выверенной скорости срыва можно получить интересную оптическую иллюзию: из отверстия будут выходить идеально ровные винтообразные спирали из пластика. В лабораторных условиях это выглядит как эффектный физический эксперимент, но для реального завода такой режим работы означает брак. Из нестабильного, пульсирующего потока невозможно сформировать качественную напорную трубу, кабельную изоляцию или гладкую упаковочную плёнку. Применительно к литьевым изделиям (например, бампер или приборная панель автомобиля) это проявляется в виде дефекта «тигровых полос».
Задача для инженеров
Эффект Барруса делает задачу формовки нетривиальной. Чтобы получить трубу или нить нужного диаметра, нельзя просто сделать отверстие в экструдере точно по размеру: нужно заранее учесть, насколько расширится конкретная марка полимера при конкретной температуре и скорости. Отверстие делают меньше расчётного, а параметры процесса подбирают так, чтобы увеличение объёма давало нужный результат.
Именно поэтому реологические свойства полимеров, то есть их текучесть, и деформируемость, тщательно изучают ещё на этапе разработки марки. В исследовательском центре «СИБУР ПолиЛаб»учёные занимаются в том числе этим: создают и модифицируют марки полипропилена и полиэтилена с предсказуемым и стабильным поведением расплава. Это позволяет производителям точно настраивать оборудование и получать готовые изделия: трубы, плёнки, медицинские компоненты без отклонений от заданных параметров.
Всё о науке в СИБУРе — на сайте.
Познакомиться с работой центра прикладных разработок «СИБУР ПолиЛаб», специализациями площадок в городах присутствия, типами исследований и доступным оборудованием можно на платформе. Также на ресурсе доступны вебинары и обучающие курсы.