19. Механізм ламінарного змішування полімерів.

Так як перемішування високов’язких розплавів полімерів відбувається при низьких значеннях числа Рейнольда (в діапазоні ламінарної течії), то такий процес змішування зветься ламінарним змішуванням. Змішування в цьому випадку є наслідком деформації зсуву і розтягування, під дією котрих зростає поверхня розділу компонентів (зменшується лінійний розмір початкової частки компонента або зайнятої нею області) та вирівнювання розподілу компонентів в об’ємі.

Смешение полимеров, находящихся в жидком (расплавленном) состоянии, а также в пастообразном виде, заключается в пространственной перегруппировке частиц компонентов, продолжающейся до достижения заданной степени однородности смеси. При этом под частицей компонентов понимается частица бесконечно малого объема, имеющая, однако, макроскопический характер и состоящая из молекул значительно меньшего объема.

Эффективность процесса смешения зависит от методов его проведения, конструктивных особенностей смесителей, влияющих на интенсивность смешения (геометрические характеристики аппарата степень заполнения, скорость и характер циркуляции материала и т. д.), а также от физико-механических характеристик смеси и ее отдельных компонентов (вязкость, соотношение компонентов в смеси, форма частиц, их дисперсность и т. д.).

Смешение расплавов полимеров осуществляется главным образец посредством вынужденной конвекции, которая достигается определенным направлением движения жидкости. Решающее влияние при этом играет режим течения жидкости, зависящий от скорости потока, вязкости жидкости и геометрической характеристики пространства, через которое жидкость протекает.

Первостепенное значение для смешения имеет турбулентность потока жидкости. При турбулентном режиме из одних слоев жидкости в другие переходят не только молекулы, но и элементарные массы жидкости, причем массопередача возрастает пропорционально турбулентности потока.

Критерием, который позволяет определить, будет ли течение ламинарным или турбулентным, является число Рейнольдса Rе, выражаемое отношением:

Re= , (1)

где υ – скорость потока жидкости; ν – кинематический коэффициент вязкости; L — определяющий линейный размер.

Переход ламинарного режима в турбулентный при повышении скорости потока происходит не сразу по достижении критического значения числа Рейнольдса. Между ламинарным и турбулентным режимами существует промежуточная область. В частности, установлено, что при перемешивании механическими мешалками ламинарный режим определяется областью изменения числа Рейнольдса Rе = 10–20, переходная область Rе = 10–10³, область устойчивой турбулентности Rе = 10⁴ –10⁶.

Следует учитывать, что перемешивание высоковязких жидкостей, к которым относятся расплавы полимеров, а также смешение паст и тестообразных материалов (например, высоконаполненных полимеров с дисперсным наполнителем) протекает в большинстве случаев в области слаборазвитой турбулентности или при ламинарном режиме. Механизм смешения таких систем заключается в сдвиге материалов в параллельные слои, что приводит к увеличению межфазной поверхности. Чем меньше толщина таких слоев, тем эффективнее идет процесс смешения. Толщина слоев должна быть доведена до величины порядка размера частиц, что в принципе можно достичь увеличением скорости циркуляции при одновременном усложнении траектории движения частиц.

Для правильного выбора оборудования при смешении расплавов полимеров, паст и тестообразных масс необходимо знать, какой результат перемешивания может быть достигнут в системе при использовании устройства данного типа и размера и каково время, необходимое для достижения полного перемешивания материала с известными реологическими характеристиками. Это устанавливается специальными опытами, в которых прежде всего определяется диаграмма линий токов частиц материалов.

Наиболее простым методом визуального наблюдения линий тока является окрашивание исследуемого материала. Указанный метод применим и в тех случаях, когда окрашен один из компонентов смеси, а также когда перемешиваемые жидкости или массы бесцветны. Исследование в последнем случае проводят, вводя небольшое количество красящего вещества в жидкость (расплав). При этом измеряют время от момента подачи красителя до момента достижения равномерного окрашивания всей массы перемешиваемой жидкости.

Для определения интенсивности окрашивания сравнение проб следует проводить в колориметре, в котором в качестве эталона применяют раствор такой концентрации, какая будет в сосуде после равномерного распределения красителя в объеме.

Количественная оценка основана на определении времени перемешивания, необходимого для выравнивания температуры массы после того как в какую-то часть аппарата в массу было быстро введено известное количество тепла. Для создания теплового импульса используют электронагреватели сопротивления. Необходимое количество тепла должно значительно превышать тепло, сообщаемое жидкости за счет трения при перемешивании, чтобы последним можно было пренебречь. Продолжительность перемешивания определяют интервалом времени, протекающим с момента создания температурного градиента при введении теплового импульса до выравнивания температуры.