4.3.5. Эластическая турбулентность

В процессе экструзии концентрированных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров через капилляры (отверстия фильеры и пр.) наблюдаются не только расширение диаметра истекающей струи, но и другие изменения ее формы. При увеличении скорости сдвига струя теряет цилиндрическую форму, а на ее поверхности появляются шероховатости. Это явление обусловлено началом неустойчивой экструзии полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии. В зависимости от интенсивности проявления этого эффекта используют различные термины.

Если такие поверхностные дефекты струи выражены слабо, то их определяют как "матовость", "апельсиновая кожура", "акулья кожа". При возникновении достаточно отчетливых периодически проявляющихся дефектов говорят о "спирали", "штопоре", "винте", "поверхности бамбука". Очень резко выраженную

181

нестабильность потока определяют как "разрушение струи", "дробление поверхности" струи и пр.

В соответствии с этими определениями различают четыре степени нестабильности истечения струи:

• первая, характеризующаяся появлением матовости, вызванной возникновением макрошероховатости поверхности струи раствора или расплава полимера;
• вторая, обусловленная появлением мелких периодических искажений в виде винтообразных, спиральных выступов на поверхности струи;
• третья, определяемая возникновением крупных периодических искажений, сопровождающихся закручиванием струи в спираль;
• четвертая, характеризующаяся дроблением на капли, распадом струи.

Нестабильность струи вызвана развитием в потоке больших эластических деформаций в результате периодических (пульсирующих) изменений в объемном расходе полимерной жидкости Q или ориентации структурных элементов текущего полимера в пристенных слоях, вследствие чего происходят уменьшение кинетической подвижности макромолекул и локальное проявление эффекта механического стеклования.

Структурные изменения в пристенном слое существенно отличаются от тех, которые происходят в процессе течения в основной массе струи. Возникающие напряжения могут приводить к периодическому проскальзыванию пристенных слоев, что влечет за собой проявление нестабильности потока. В большинстве случаев такая нестабильность проявляется по причине 5-6-кратной деформации, развивающейся в результате сдвига, и возникающих при этом нормальных напряжений. Необходимо отметить, что увеличение длины капилляра l ослабляет нестабильность процесса истечения концентрированных растворов и расплавов полимеров. Нарушение установившегося течения и профиля скоростей, которое выражается в искажении формы струи жидкости, вытекающей из капилляра, определяется как эффект "эластической турбулентности". Область проявления эластической турбулентности соответствует увеличению эффективной скорости сдвига. Эта область смещается в сторону больших τ и при ослаблении входовых эффектов, при удлинении капилляра, при снижении η_эф.

Область появления эластической турбулентности определяется:

1. Числом Вайссенберга R_W = τ_r/8G, являющимся характеристикой отношения высокоэластических сил к силам вязкости и

182

служащим мерой обратимой деформации сдвига (здесь τ_r - напряжение сдвига на стенке капилляра).

Величину высокоэластической деформации ε_вэ (см. рис. 3.7) необходимо учитывать при анализе течения растворов и расплавов. С увеличением молекулярной массы полимера возрастает R_W:

где ρ - плотность полимера в вязкотекучем состоянии; R - универсальная газовая постоянная.

2. "Эластическим критерием Рейнольдса", предложенным А. Малкиным и Г. Виноградовым:

Распад струи жидкости начинается при Rе_э ≥ 5. Так, неустойчивое истечение вискозы из капиллярных отверстий фильеры диаметром 0,07-0,08 мм наблюдается при η₀ ≥ 30 Па · с и линейной скорости истечения более 1 м · с^-1.

183