Реология расплавов: как вязкость определяет технологическое окно
Реология — наука о деформации и течении вещества — лежит в основе каждого технологического решения при переработке пластиков. Вязкость расплава определяет давление впрыска, температуру цилиндра, скорость экструзии и, в конечном счёте, морфологию и свойства готового изделия. Однако реология полимерных расплавов устроена значительно сложнее, чем вязкость обычных жидкостей.
Псевдопластичность и её практические следствия
Большинство полимерных расплавов — псевдопластичные жидкости: их вязкость снижается с ростом скорости сдвига. Это явление объясняется распутыванием и ориентацией полимерных цепей в потоке. Практическое следствие: при быстром впрыске материал ведёт себя менее вязко и легче заполняет тонкостенные сечения. Именно поэтому увеличение скорости впрыска нередко позволяет снизить температуру расплава и сократить цикл.
Индекс расплава (MFI/MFR), который указывается в технических паспортах полимеров, измеряется при фиксированной нагрузке и температуре — то есть при одной-единственной скорости сдвига. Этот показатель удобен для входного контроля, но недостаточен для прогнозирования поведения при впрыске или экструзии, где скорости сдвига на несколько порядков выше. Ротационная реометрия и капиллярная реометрия дают полную кривую вязкости.
Вязкоупругость: эффект Барруса и разбухание экструдата
Полимерные расплавы обладают не только вязкими, но и упругими свойствами — они «помнят» историю деформации. При выходе расплава из фильеры экструдера упругая энергия, накопленная в потоке, высвобождается, и экструдат разбухает. Степень разбухания зависит от молекулярной массы полимера, его молекулярно-массового распределения и скорости экструзии. Для расчёта реальных размеров изделия технологу необходимо учитывать этот эффект при проектировании фильеры.
Деградация реологических свойств при переработке
Каждый цикл нагрева-охлаждения разрушает часть полимерных цепей. Механодеградация в шнеке и термоокислительная деструкция снижают молекулярную массу, а вместе с ней — вязкость и механические свойства. Для чувствительных материалов (PC, PA, PET) контроль вязкости расплава на входе и выходе экструдера позволяет количественно оценить деградацию и своевременно скорректировать режим или заменить партию сырья.
