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1、第四章第四章 聚合物加工流变学聚合物加工流变学孔道流动孔道流动弹性弹性拉伸粘性拉伸粘性剪切黏性剪切黏性知识点知识点v聚合物流变学( rheology of polymers )是研究聚合物流动与形变的科学。选择加工工艺；确定操作条件；设备优化设计；获得性能良好的制品意义第四章第四章 聚合物加工流变学聚合物加工流变学v一非牛顿流体的表征一非牛顿流体的表征v1聚合物流体的流动行为聚合物流体的流动行为 牛顿流体牛顿流体v剪切应力12 与剪切速率 之间呈线性关系，粘度与 无关，服从牛顿定律：12第一节第一节 聚合物流体的剪切粘性聚合物流体的剪切粘性v 12 与 非线性，粘度随 而变n12K v式中：K
2、为粘度系数，v n为非牛顿指数v非牛顿流体的表征：非牛顿流体表征流体偏离牛顿型流动的程度第一节第一节 聚合物流体的剪切粘性聚合物流体的剪切粘性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 a12 / =K n-1 a随 而v当n=1时，牛顿流体，牛顿粘度不变 v要克服某一临界剪切应力才能使其产生牛顿流动v当n1时，a随 的而v当n二、聚合物剪切粘性的影响因素二、聚合物剪切粘性的影响因素总结总结分子量分子量分布分布刚柔性刚柔性长支链长支链短支链短支链分子量分子量黏度黏度压力压力浓度浓度溶剂温度温度混合混合
3、比比分子量更准分子量更准聚合物流体质量是否正常的判据聚合物流体质量是否正常的判据黏黏度度黏黏度度分子量大？小？分布宽大？窄？（三）应用（三）应用二、聚合物剪切粘性的影响因素二、聚合物剪切粘性的影响因素 调整工艺条件的依据调整工艺条件的依据两种两种PP熔体黏度与温度和剪切速率的关系熔体黏度与温度和剪切速率的关系 （MI=15） 案例案例1 1二、聚合物剪切粘性的影响因素二、聚合物剪切粘性的影响因素作lg a 1/2图 结构黏度指数22/110lgdda v牛顿: =0；v切力变稀: 0；v切力增稠: ?(P)计算。相当于孔道增加了一段虚构长度。v弹性的本质：弹性的本质：v-熵弹性。第三节第三节
4、聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性流流体体的的弹弹性性表表征征第一法向应力差函数；弹性模量（剪切弹性模量G或拉伸弹性模量E）松弛时间（/G）；动态粘度函数();动态储能模量G()；胀大比。第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性二影响聚合物流体弹性的因素二影响聚合物流体弹性的因素2012211,T,Mw1zzeMMMRT52J第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v（一）分子参数对聚合物流体弹性的影响（一）分子参数对聚合物流体弹性的影响法向应力和柔量增大，弹性大平均相对分子质量增加相对分子质量分布的加宽弹性增大280280不同特性粘度聚酯的入口压不同特性粘度聚酯的入口压力降力降1-
5、=1.04 1-=1.04 ，2-=0.66 2-=0.66 3-=0.563-=0.56第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性聚酯的特性粘度与挤出胀大比的关系聚酯的特性粘度与挤出胀大比的关系1L/D=1 2L/D=5 3L/D=7熔体温度熔体温度290 喷丝板直径喷丝板直径1.2mm280时不同相对分子质量分布的聚酯的入时不同相对分子质量分布的聚酯的入口压力降口压力降1-分布宽分布宽 2-分布窄分布窄第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性长链分支增加，弹性增大。提示支链加工难v（二）加工条件对聚合物流体弹性的影响（二）加工条件对聚合物流体弹性的影响聚酯熔体的挤出胀大比与熔体温
6、度的关系聚酯熔体的挤出胀大比与熔体温度的关系1 1 =0.86 2=0.86 2 =0.74 3=0.74 3 =0.64=0.64第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v1温度的影响温度的影响v温度升高，弹性减小v2.浓度的影响浓度的影响v浓度的升高浓度的升高，法向应力增大，法向应力增大, ,弹性显著弹性显著。第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v3剪切速率的影响剪切速率的影响v剪切速率越大剪切速率越大，流体入口压力降、法向压力差及胀大比越大，弹性能贮存越高，弹性效应越显著弹性效应越显著聚合物熔体在聚合物熔体在200时的第一法向应力时的第一法向应力差与剪切速率的关系差与剪切
7、速率的关系1-高密度聚乙烯高密度聚乙烯 2-低密度聚乙烯低密度聚乙烯 3-聚聚苯乙烯苯乙烯聚丙烯熔体的挤出胀大与剪切速率的依赖关系。聚丙烯熔体的挤出胀大与剪切速率的依赖关系。（试样相对分子质量（试样相对分子质量29.3万万 熔体温度熔体温度190）曲线旁的数字为毛细孔的长径比曲线旁的数字为毛细孔的长径比第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v4流动的几何条件的影响流动的几何条件的影响喷丝孔直径与挤出胀大比的关系喷丝孔直径与挤出胀大比的关系1 1 =0.86=0.86 2 2 =0.74=0.74 3 3 =0.64=0.64第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v喷丝孔直径增大
8、，挤出胀喷丝孔直径增大，挤出胀大比明显减小，弹性效应大比明显减小，弹性效应减弱。减弱。v倒角60-120o。v长径比大长径比大，有利于松弛过程的完成，弹性较小弹性较小。长径比对聚酯熔体的挤出胀大比的影响长径比对聚酯熔体的挤出胀大比的影响1 =0.86 2 =0.74 3 =0.64第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性（三）混合对弹性的影响（三）混合对弹性的影响v填料浓度增加，弹性填料浓度增加，弹性降低降低。临界剪切应力临界剪切应力上升。上升。碳酸钙填充聚丙烯的法向应力碳酸钙填充聚丙烯的法向应力差随剪切应力变化差随剪切应力变化1CaCO3/PP=0/100 2CaCO3/PP=10/9
9、0 3CaCO3/PP=20/80 4CaCO3/PP=40/60第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性降低出口胀大比和挤出物的畸变。碳黑等填充补强案例v定量描述：v视聚合物流体为Maxwell流体：2101)(1)31(expRLnNN第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性vPP比PET的非牛顿性强，弹性显著，值和 值大，总法向应力差N1大。)(1第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性v适当提高纺丝温度；v控制适宜的相对分子质量；v适当加大孔口直径（0.4mm)；v增大喷丝孔长径比（大于2）；v降低剪切速率； ？v-减小细流的胀大比，改善PP的可纺性。 本课习题v1聚
10、合物流体有哪些弹性表现？其本质是什么？如何表征？v2分析影响聚合物弹性的因素，并说明提高挤出量可能遇到的问题，如何克服？ 第三节第三节 聚合物流体的弹性聚合物流体的弹性一、聚合物流体在管道中的流动参数一、聚合物流体在管道中的流动参数v纤维成型与喷丝孔长度纤维成型与喷丝孔长度L、截面形状有密切的关系、截面形状有密切的关系第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动纺丝过程中，高聚物流体基本为两种流场：纺丝过程中，高聚物流体基本为两种流场：出喷丝孔前出喷丝孔前剪切流动（压剪切流动（压力作用下的压力作用下的压差流动）差流动）出喷丝孔后出喷丝孔后单轴拉伸流动单轴拉伸流动（拉伸应力作（
11、拉伸应力作用下的流动）用下的流动）LPrr2)(122122)(rPrLr1孔道中的剪切应力孔道中的剪切应力12第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动v式中：L为毛细管的长度；v P为毛细管压力降。v在管道中心： (12)r=0=0；v在管壁处（rR）：(12 )w 最大，即：LPRRw2)()(1212第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动由于入口效应和粘弹体流动中弹性能储藏消耗了额外的压力，因此P实测P计算，P进行进行Bagley修正修正 。 *2、孔道中的流动线速度、孔道中的流动线速度V(r)第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体
12、在管道中的流动第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动 切力变稀流体切力变稀流体n1 流体速度分布接近柱塞形流体速度分布接近柱塞形 n值越小，管中心处的速度分布越值越小，管中心处的速度分布越平坦平坦，越接近，越接近柱柱塞形塞形。第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动胀流形流体胀流形流体 n1，m1 流体速度分布变得陡峭流体速度分布变得陡峭 n越大，越接近锥形越大，越接近锥形第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道
13、中的流动第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动3、平均流出体积速度、平均流出体积速度Q （体积流量）（体积流量） 第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动牛顿流体牛顿流体:n=1 1/m=1 k=1/ 相同时，Q与与P成正比，计量泵快成正比，计量泵快Q大，大， P大大4、管道壁上的剪切速率、管道壁上的剪切速率 第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动34413RQnnw*34)(RQwN*喷丝板孔设计PET？PE？第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管
14、道中的流动案例1v对于牛顿流体，则：案例2PET设备生产聚丙烯会有什么问题，如何解决？案例3PET纺丝时出现螺旋丝？ 二、不稳定流动与熔体破裂二、不稳定流动与熔体破裂v“熔体破裂熔体破裂”：发生在临界剪切速率以上的不稳定流动,宏观表现为挤出物表面变得粗糙,失去光泽,粗细不均和出现扭曲,甚至破坏。第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动v出现“熔体破裂”时的剪切应力（速率）为临界剪切应力（速率）。加工速率上限加工速率上限* * *第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动临界剪切速率影响因素流动几 何条件聚合物非牛顿性强,临界剪切速率聚合物分子质量大，临界剪切速率熔体温度下降，临界剪切速率*流道收敛角增大流道长径比L/D减小流道非流线型化临界剪切速率本节习题v1、结合影响临界剪切应力的因素分析如何避免熔体破裂。v、若提高产量可能遇到的问题与解决办法。第四节第四节 聚合物流体在管道中的流动聚合物流体在管道中的流动