книги / Переработка полимеров

Умножим (5.12) на w, преобразуем, получим

w 3 w .

w

Выразим w .

В выражение (5.13) вместо подставим его выражение через расход, w заменим выражением (5.3), т.е.

QR3 ; w R2 LP .

Тогда получим следующее выражение для скорости сдвига:

мость f w , рассматривая вязкость как тангенс угла наклона

к кривой напряжение-скорость сдвига (построенный ранее график). Последовательностьпостроенияпоказананарис. 5.2.

Получив зависимость ýô ô f графически по экспери-

ментальным данным (точкам), можно описать ее математически, используя различные подходы. Наиболее распространенным законом, описывающим аномальное поведение полимерных

61

жидкостей, является степенной закон (2.22). Однако степенной закон плохо (неадекватно) описывает поведение материалов при малых значениях скоростей сдвига. В ряде случаев используют для описания аномалии вязкости закон Керри

Рис. 5.2. Порядок преобразования экспериментальных зависимостей

Выражение хорошо описывает аномалию вязкости при малых значениях напряжения сдвига, но недостаточно точно при значениях скорости сдвига порядка 102–103 обратных секунд.

6. Наложение изоляции на токопроводящую жилу

Экструзионные головки для наложения покрытий используют при нанесении изоляции на токопроводящие жилы и при формировании оболочки на пучке ранее изолированных друг от друга проводов для их механического упрочнения или с целью защиты от внешних воздействий.

62

Оголённый провод разматывают и подогревают до температуры стеклования или плавления экструдируемого полимера (например: для линейного полиэтилена температура стеклования Tä 180 Ñ; температура плавления Tm 134 Ñ). Это делается

для того, чтобы увеличить адгезию изоляции к проводу и одновременно удалить влагу или масло с поверхности проводника. Проволоку вводят в центральное отверстие дорна угловой экструзионной головки. Выйдя из дорна, проволока попадает в расплав, обволакивающий её поверхность. Поскольку скорость движения проволоки (контролируемая натяжным барабаном, установленным в конце технологической линии) обычно выше, чем средняя скорость течения расплава в канале кабельной головки, то наложение изоляции происходит с некоторой степенью вытяжки, которая составляет примерно 25%. На выходе из головки изоляцию в ряде случаев нагревают в струе горячего воздуха с целью поверхностного обжига и завершения релаксационных процессов, при этом поверхность изоляциистановитсяблестящей.

Изолированная жила поступает в охлаждающую ванну, где в качестве охлаждающей среды обычно используют воду. Длина охлаждающей ванны зависит от скорости экструзии, диаметра проволоки, толщины изоляции, вида изоляционного материала. Длина ванны для охлаждения изоляции из кристаллических полимеров больше, чем для охлаждения изоляции из аморфных полимеров, так как процесс кристаллизации является экзотермическим процессом, то есть процессом, сопровождающимся выделением тепла.

Вышедшая из охлаждающей ванны изолированная жила попадает на тянущий барабан, регулирующий её напряжение, после чего охлаждение может быть продолжено. Изолированная проволока проходит через измерительные устройства, контролирующие наличие дефектов в изоляции и её толщину. Полученная информация используется (должна использоваться) для регулирования скорости вытяжки илискорости вращения червяка.

Для нанесения изоляции на ТПЖ (токопроводящую жилу) или оболочки на сердечник (пучок ранее изолированных жил)

63

используют угловые кабельные головки двух типов: 1) трубные (головки с кольцевым зазором); 2) напорные.

В трубных головках расплав, экструдируемый в виде тонкостенной трубы, прижимают к проводнику на выходе из головки за счёт разряжения, создаваемого между проводником и направляющей (рис. 6.1). Величина зазора обычно составляет 0,2 мм. Такие трубные головки используют для нанесения высоковязких расплавов накабели илидля изолированияочень тонких проводов.

Рис. 6.1 Трубная кабельная головка: 1 – корпус головки; 2 – дорнодержатель; 3 – изолируемая токопроводящая жила; 4 – изолированная полимером токопроводящая жила; 5 – цилиндр экструдера; 6 – шнек; 7 – расплав полимера; 8 – дорн; 9 – нагревательный элемент; 10 – матрица

Расплав полимера, подаваемый шнеком 6, поступает в пространство, образованное дорном 8, дорнодержателем 2 и матрицей 10. Изолируемая жила 3 поступает в дорн. Полимер 7 накладывается на жилу в кольцевом зазоре, образованном дорном и матрицей. Изолированный провод 4 поступает далее в охлаждающую ванну с водой. Температура корпуса и головки экструдера поддерживается в заданных пределах средствами локальной автоматики путемизменения токав нагревательных элементах 9.

В напорных головках расплав полимера контактирует с проводником непосредственно внутри головки. Схема кабельной угловой напорной головки приведена на рис. 6.2

64

Рис. 6.2. Напорная кабельная головка экструдера: 1 – корпус головки; 2 – дорнодержатель; 3 – изолируемая токопроводящая жила; 4 – изолированная полимером токопроводящая жила; 5 – цилиндр экструдера; 6 – шнек; 7 – расплав полимера; 8 –дорн; 9 – нагревательный элемент; 10 – матрица

Для описания работы кабельной напорной головки вводят в рассмотрение схематическое представление кабельной головки, в которой рассматривают ряд функциональных зон (рис 6.3).

Рис. 6.3. Схема напорной головки: 1 – расплав полимера из экструдера; 2 – матрица (формующая головка); 3 – дорн; 4 – изолируемый провод; 5 – изолированный провод; 6 – зазор. Ia – зона адаптера – зона формирования потока (зона затекания расплава в канал); I – цилиндрический зазор, неподвижная стенка; II – конический зазор, неподвижная стенка; III – цилиндрический

зазор, подвижная стенка (провод)

65

При математическом моделировании и анализе течения в канале напорной кабельной головки необходимо учитывать геометрические особенности выделенных зон (см. рис. 6.3). В зонах I, II, III реализуются различные граничные условия. Если в первой и второй зонах стенками канала, в котором происходит течение расплава полимера, являются неподвижные дорн и матрица, то в третьей зоне одной из стенок канала является двигающийся провод. Кроме этого, необходимо учитывать изменяющуюся высоту канала в зоне II.

6.1. Течение полимерного материала в кабельной головке. Модель Мак-Келви. Параметры течения

Впервые в наиболее простой постановке задача о течении в кабельной головке была рассмотрена Мак-Келви. Были сделаны следующие допущения: процесс стационарный, изотермический; жидкость ньютоновская; канал плоский (развернутый на плоскость), высота которого значительно меньше длины и ширины его.

Кабельная головка для нанесения изоляции на проволоку схематически изображена на рис. 6.4. Головка состоит из резервуара, содержащего жидкость под гидростатическим давлением P, резервуар соединен с полым цилиндром, имеющим диаметр 2(H + R) и длину L, через которыйпротягивается проволока.

Введем обозначения:

p0 – атмосферное давление; h – толщина изоляции;

0 – скорость изолирования; H – высота канала;

h – толщина изоляции L – длина головки;

R – радиус изолируемого провода. P –давление в головке.

66

Рис. 6.4. Схема кабельной головки (модель Мак-Келви)

В результате действия гидростатического давления и увлекающего действия движущейся проволоки жидкость течёт через кольцевое пространство и образует покрытие на проволоке толщиной h, причём величина последней может быть как равной, так и не равной высоте канала H.

Математическая модель процесса течения строится для установления соответствия между конструктивными размерами (радиальным зазором H и длиной L), параметрами процесса (скоростью 0 и давлением P), вязкостью жидкости (полимера) и толщиной изоляции h.

Пусть Q представляет собой общий объемный расход материала как в канале кабельной головки, так и относительно изолированного провода (в соответствии с законом сохранения масс) [м3/с]. Мак-Келви предложил рассматривать общую величину расхода как сумму двух расходов

где Qd – объемный расход, обусловленный только одним возмущающим фактором – подвижной стенкой канала (движущимся проводом); Qp – объёмный расход, вызванный воздействием

перепада давления P – p0.

Для изолированного провода расход определяется следующим образом:

67

Определяющая система уравнений выглядит следующим образом:

После интегрирования и подстановки граничных условий

найдем константу С1.

Получим выражение для продольной скорости

z 1 P y2 Hy . 2 L

Тогда расход Qp

Выражение (6.6) записано для отрицательного перепада давления.

Тогда общий расход

69

Из последнего уравнения получим зависимость толщины изоляции от указанных выше факторов.

Анализируя выражение (6.7), можно увидеть ряд простых закономерностей: увеличение значения перепада давлений или величины зазора ведет к увеличению толщины изоляции при прочих равных условиях; увеличение скорости или величины вязкости приводит к уменьшению толщины изоляции для отрицательного перепада давления. Однако полученная зависимость устанавливает лишь качественные закономерности процесса течения и наложения полимерной изоляции, поскольку базируется на ряде существенных упрощающих предположений.

6.2.Модель цилиндрического зазора

Вотличие от модели Мак-Келви в рассматриваемой модели исключается допущение о плоском канале, то есть течение рассматривается в цилиндрическом зазоре между цилиндрическими поверхностями провода и матрицы. Все остальные допущения остаются теми же, что и в предыдущей модели Мак-Келви. Схема течения приведена на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Схема течения

70