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1、其次章其次章 高分子成形流变学基础高分子成形流变学基础|2.1 高分子成形的流淌特征高分子成形的流淌特征|2.2 高分子成形的剪切流淌高分子成形的剪切流淌|2.3 高分子成形的拉伸流淌高分子成形的拉伸流淌|2.4 高分子成形的流淌分析高分子成形的流淌分析|2.5 高分子成形的流体弹性高分子成形的流体弹性|2.6 高分子流变性能的测定高分子流变性能的测定2.12.1高分子成形的流淌特征高分子成形的流淌特征n高分子流体成形过程的流变行为特别困难：黏性和弹性的困难组合n流淌过程黏性阻力，热效应，温度变更；流体结构甚至有时间相关性n流淌变形影响因素：温度、压力、流淌状态、应力方式、分子结构和组织结构等
2、一、层流和湍流一、层流和湍流n两种流淌状态：层流和湍流n层流状态时流体质点无横向迁移和窜流n湍流时流体质点存在明显的横向迁移和窜流，流淌中存在猛烈流体混合n高分子成形过程中流体流淌一般都为层流n挤出、注射、压延等成形流体黏度通常很大；浇铸、压制等成形流速很低二、稳态流淌和非稳态流淌二、稳态流淌和非稳态流淌u稳态流淌：流道任何部位的流速、物理状态稳态流淌：流道任何部位的流速、物理状态均不随时间而变更，但是各部位不确定相同，均不随时间而变更，但是各部位不确定相同，比如挤出机的正常操作过程比如挤出机的正常操作过程u非稳态流淌：流淌状况随时间而变更，比如非稳态流淌：流淌状况随时间而变更，比如熔体充模过
3、程熔体充模过程三、剪切流淌和拉伸流淌三、剪切流淌和拉伸流淌n成形流淌两种主要类型：剪切流淌和拉伸流淌n剪切流淌：流体受到剪切应力作用产生的流淌，挤出机、注射机和口模等的流淌n拉伸流淌：纺丝细流离开喷丝孔处时受拉伸和流体在截面积变更流道中的流淌等n实际成形过程：常常既受剪切应力作用又受拉伸应力作用，还受流体静压力作用，实际流淌往往是二者或多者的组合n（按流淌边界条件分）剪切流淌：拖曳流淌和压力流淌n拖曳流淌：由边界运动而产生的流淌，如运转辊筒表面流体的流淌n压力流淌：边界固定，外加压力作用于流体而产生的流淌。浇铸流道和挤出流道四、一维流淌、二维流淌和三维流淌四、一维流淌、二维流淌和三维流淌n一维
4、流淌：流体内部质点速度仅在一个方向上一维流淌：流体内部质点速度仅在一个方向上变动，如等径圆管中稳态层流变动，如等径圆管中稳态层流n二维流淌：流道内各质点的速度须要用两个垂二维流淌：流道内各质点的速度须要用两个垂直于流淌方向的坐标来表示直于流淌方向的坐标来表示n比如流体在矩形或椭圆形截面流道中流淌比如流体在矩形或椭圆形截面流道中流淌三维流淌：质点速度沿截面的纵横两个方向和三维流淌：质点速度沿截面的纵横两个方向和主流淌方向都在变更主流淌方向都在变更比如流体在锥形或收缩形的矩形体管道中的收比如流体在锥形或收缩形的矩形体管道中的收敛流淌敛流淌有的二维流淌可近似按一维流淌处理：平行板有的二维流淌可近似按
5、一维流淌处理：平行板狭缝流道和间隙很小圆环形流道狭缝流道和间隙很小圆环形流道五、等温流淌和非等温流淌五、等温流淌和非等温流淌n等温流淌：指流体各处的温度均相等且保持不等温流淌：指流体各处的温度均相等且保持不变的流淌变的流淌n等温流淌状况下流体与外界可以热交换，但传等温流淌状况下流体与外界可以热交换，但传入和输出的热量相等入和输出的热量相等n实际成形的流淌一般在流道径向和轴向都存在实际成形的流淌一般在流道径向和轴向都存在温度梯度，为非等温流淌温度梯度，为非等温流淌缘由：缘由：流道各区域有意控温；流道各区域有意控温；流淌时径流淌时径向黏性摩擦生热效应差异；向黏性摩擦生热效应差异；流淌压力降以流淌压
6、力降以至膨胀产生冷却效应，径向膨胀冷却效应差至膨胀产生冷却效应，径向膨胀冷却效应差异不同异不同本章主要探讨流体在等温稳态层流时行为表本章主要探讨流体在等温稳态层流时行为表现现2.22.2高分子成形的剪切流淌高分子成形的剪切流淌l流体流变性质的主要表现：黏度l成形流变学最重要的内容：流体的黏度及其变更规律l流体类型：牛顿型流体和非牛顿型流体l流淌行为相应分别为牛顿型流淌和非牛顿型流淌l流淌曲线：剪应力（或剪切粘度）与剪切应变速率之间关系的曲线|2.2.1 2.2.1 牛顿流体及其流淌牛顿流体及其流淌|2.2.2 2.2.2 非牛顿流体及其流淌非牛顿流体及其流淌|2.2.3 2.2.3 剪切流淌的
7、影响因素剪切流淌的影响因素2.2.1 2.2.1 牛顿流体及其流淌牛顿流体及其流淌n速度梯度速度梯度：F 是一个流层相对于邻近流层移动的距离，它是剪切力作用下该层流体产生的剪切应变 ，即n剪切速率剪切速率 ：图2.1 剪切流动层流模型（管中心）移动层v外力F摩擦力F1（管壁）固定面y(R)v+dvvdvAxdy(dr l著名牛顿粘性定律方程：l全部非聚合态流体（如低分子有机物和水等）都属于牛顿流体l牛顿流体特征：l牛顿粘度 是一常数，不随剪切速率 而变更l牛顿流体曲线 是通过直角坐标系原点的直线，斜率即是l牛顿流体的应变具有不行逆性，是纯粘性流淌2.2.2 2.2.2 非牛顿流体及其流淌非牛顿
8、流体及其流淌n非牛顿型流体黏度 ：剪应力或剪切速率依靠性n类型：黏性流体、黏弹性流体和时间依靠性流体n黏性流体应变都是不行逆，黏弹性流体部分应变可逆n黏弹性流体：常先作黏性流体处理然后依据弹性进行修正，可简化流淌分析计算n黏性流体和黏弹性流体类型：假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体n时间依靠性流体：触变性流体和震凝性流体图2.3 典型流体的曲线1牛顿流体 2假塑性流体3胀塑性流体0图2.2 典型流体的曲线1牛顿流体 2假塑性流体 3膨胀性流体 4宾汉流体 5复合型流体03241一、黏性流体一、黏性流体1假塑性流体假塑性流体n多数高分子流体（包括熔体、溶液和悬浮体等）都属于假塑性流体n流变特征流变
9、特征：剪切黏度随剪切速率或剪应力增大而降低，因此常称为剪切稀化流体n宽剪切速率范围流变行为3区域：第一牛顿区、非牛顿区和其次牛顿区n低剪切速率时为牛顿流体，黏度为零切黏度n中等剪切速率范围为假塑性流体，黏度常接受表观黏度n剪切速率很高时再次为牛顿流体，黏度称为极限黏度n流淌特征与聚合物分子的长链结构和分子缠结形成的拟网络结构有关0图2.4 宽剪切速率范围高分子流体 的曲线(和牛顿区，非牛顿区)n分子链间相互缠结或范德华力相互作用形成链间瞬态物理交联动态平衡n低剪切速率区：剪切导致的物理交联点破坏很少，能够为热运动刚好重建n剪切速率渐渐增加到确定值后：物理交联点被破坏的速度大于重建的速度n剪切速
10、率很高：物理交联点的破坏完全来不及重建时，黏度降到最小值表表2.1 2.1 部分成形工艺的剪切速率范围部分成形工艺的剪切速率范围成形工艺 浇铸、压制 压延、开炼、密炼 挤出 注射剪切速率范围s-1110 10102 102103 103104n挤出、注射和压延成形时高分子流体大多处于非牛顿区且多为假塑性2 2胀塑性流体胀塑性流体n流变特征：黏度随剪切速率或剪应力增大而上升，流变特征：黏度随剪切速率或剪应力增大而上升，因此常称为剪切增稠流体因此常称为剪切增稠流体n例：聚氯乙烯糊和高填料含量聚合物流体等悬浮体例：聚氯乙烯糊和高填料含量聚合物流体等悬浮体n剪切增稠缘由（多种）通常：剪切增稠缘由（多种
11、）通常：n剪切速率不大：流体起润滑剂作用，悬浮体大致保剪切速率不大：流体起润滑剂作用，悬浮体大致保持原有堆砌密度沿移动持原有堆砌密度沿移动n剪切速率渐渐增大：剪切速率渐渐增大：颗粒碰撞机会增多，流淌阻颗粒碰撞机会增多，流淌阻力增大；力增大；颗粒不能再保持静态时紧密堆砌，流体颗粒不能再保持静态时紧密堆砌，流体不能再充溢增空隙，润滑作用减小，阻力增大不能再充溢增空隙，润滑作用减小，阻力增大3 3宾汉流体宾汉流体n宾汉流体：剪应力低于宾汉流体：剪应力低于 时流体类似于固体；时流体类似于固体；n 时流体才流淌时流体才流淌n缘由（一般认为）：静态下组成该流体系统的缘由（一般认为）：静态下组成该流体系统的
12、基团、质点、悬浮颗粒间可能因为存在氢键、基团、质点、悬浮颗粒间可能因为存在氢键、静电、范德华力或离子键等的作用，形成了三静电、范德华力或离子键等的作用，形成了三维立体拟网络结构维立体拟网络结构n实例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸钙填实例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸钙填充充PP），非线性宾汉流体），非线性宾汉流体4 4幂律方程幂律方程n幂律方程（或称指数定律方程）：幂律方程（或称指数定律方程）：n幂律流体幂律流体 n 称流体稠度，称流体稠度，值越大，流体黏稠性越大值越大，流体黏稠性越大n 称为流淌指数（也称非牛顿指数），称为流淌指数（也称非牛顿指数），值离值离数值数值1越远，则非牛顿性越突
13、出越远，则非牛顿性越突出 l=1（牛顿流体）；1（假塑性流体）；1（胀塑性流体）l 和 与温度有关：随温度增加而减小，随温度上升而增大l 和和 随随 变更：变更：值范围在有限范围（如值范围在有限范围（如1个数量级）时可把个数量级）时可把 和和 看作常数看作常数l对于假塑性流体：对于假塑性流体：随随 的增大而增大的增大而增大l 随随 的增大而减小。的增大而减小。l须要说明：有些黏性流体不完全听从幂律方须要说明：有些黏性流体不完全听从幂律方程，流淌规律更困难程，流淌规律更困难n宾汉流体流变方程宾汉流体流变方程：=1线性宾汉流体，1非线性宾汉流体n表观黏度表观黏度 ：n真实黏度（或叫稠度）真实黏度（
14、或叫稠度）：二、时间依靠性流体二、时间依靠性流体n触变性流体：表观黏度随剪切持续作用时间触变性流体：表观黏度随剪切持续作用时间（即黏性流淌时间）的增长而降低（即黏性流淌时间）的增长而降低n震凝性流体：流体表观黏度随剪切持续作用时震凝性流体：流体表观黏度随剪切持续作用时间的增加而渐渐增大间的增加而渐渐增大n触变性流体较常见，震凝性流体很少遇到触变性流体较常见，震凝性流体很少遇到n缘由分析：流淌的时间依靠性行为可以用三维缘由分析：流淌的时间依靠性行为可以用三维网络结构理论予以说明网络结构理论予以说明触变性流体缘由：静止时分子或质点之间存在非永久性的次价交联点形成了缔合网络结构，剪切力作用下网络结构
15、会渐渐被破坏直至平衡。因此，表观黏度随剪切力增加而渐渐减小，并随应力作用时间增加而渐渐趋于某一平衡值震凝性流体缘由：流体中存在不对称的粒子（如椭球形线团或团粒），在剪切力场作用下渐渐取向排列形成短暂次价交联的缔合网络结构n时间依靠性流体的流变特征：n（1）黏度变更可逆n（2）剪切速率确定时出现应力松弛，剪应力渐渐从最大（或小）变更至平衡值n（3）应力引起的应变表现出滞后效应，存在 滞后环n流体具有触变性具有好用意义：如涂料具有触变性，可避开或削减流挂现象图2.5 三种材料 的滞后环2.2.3 剪切流淌的影响因素剪切流淌的影响因素一、温度一、温度温度上升，流体体积越大，分子间引力越小，温度上升，
16、流体体积越大，分子间引力越小，流体表现的黏度越小流体表现的黏度越小Andrade公式：公式：聚合物熔体黏流活化能一般聚合物熔体黏流活化能一般1.0200.0KJ/mol 干脆反映流体黏度的温度依靠性：干脆反映流体黏度的温度依靠性：值越值越大，对温度越敏感大，对温度越敏感温敏差异：柔性链高分子流体黏度对温度不温敏差异：柔性链高分子流体黏度对温度不敏感，刚性链高分子对温度敏感敏感，刚性链高分子对温度敏感图2.6 聚合物熔体黏度对温度的依靠性HDPE高密度聚乙烯 PC聚碳酸酯PS聚苯乙烯 PSF聚砜二、压力二、压力n高分子流体可压缩：熔体在110MPa压力下成形时体积压缩量小于1%n注射成形时注射压
17、力有时高达100MPa，体积压缩特别明显n体积压缩引起自由体积削减，分子间距缩小，分子间作用力增加，流体黏度增加n压力温度等效性：恒压下变更温度和恒温下变更压力可以获得等效黏度变更n压力温度等效性可用换算因子 来衡量三、剪切速率三、剪切速率n剪切速率敏感性差异：柔性链流体对剪切速率较敏感，刚性链敏感性差n高分子成形选择合适的剪切速率很重要n对剪切速率敏感的聚合物可接受增大剪切速率的方法增加流淌性n对于薄型和困难结构制品可克服充模不足的问题n确定剪切速率参数：在成形工艺可选择范围内选择黏度对 不敏感的剪切速率图2.7 高分子流体的曲线四、分子结构与参数四、分子结构与参数1分子结构分子结构n分子结
18、构不同，分子间作用力不同；分子间作用力越大，流体的黏度越大n分子极性分子极性分子极性越大或分子间存在氢键，则分子间作用力越大，流体的黏度越大n支化支化短支链使分子堆砌密度下降，支链较短时支化聚合物黏度较小长支链可能产生缠结，故 低下长支链聚合物黏度较高，但高 下剪切稀化效应很突出，黏度却比分子量相同线型聚合物黏度低2分子量分子量n分子量大，分子间作用力大，分子质心移动困难，流淌性差，黏度高nFox-Flory公式：n 小于 时，=1.01.8；当 大于 时，n =3.43.5n非牛顿性：随 提高，流体非牛顿行为更突出n成形制品时聚合物原料的分子量应合适，应兼顾制品力学性能和成形性能3分子量分布
19、分子量分布n剪切速率低时分子量分布宽者的黏度比窄者高，但剪切速率较高时相反n缘由：分子量分布宽则含有分子量很大的部分且含量多n意义：分子量分布宽聚合物更简洁挤出或注射成形（较高剪切速率的黏度较低）图2.8 相同分子量、不同分子量分布的高分子的黏度对剪切速率的依赖性 1分布宽2分布窄五、组成五、组成n固体添加剂（如填料）都会使体系的黏度增固体添加剂（如填料）都会使体系的黏度增大，流淌性降低大，流淌性降低n流体添加剂（如增塑剂）往往使分子距离增流体添加剂（如增塑剂）往往使分子距离增大，流淌性增大大，流淌性增大n高分子溶液黏度随着溶液浓度增大而增大，高分子溶液黏度随着溶液浓度增大而增大，并且增加的幅
20、度不断增大并且增加的幅度不断增大六、外加物理场六、外加物理场n物理场作用于流体的动态成形技术现已成为强化成形过程的新方法n聚合物电磁式动态塑化挤出成形和电磁式动态注射成形n干脆物理场（如机械和超声波振动）使受力状态由组合应力确定n组合应力：通常导致流体表观黏度降低、弹性行为减弱、成形压力减小、功耗降低、制品微观结构发生变更等，从而改善成形性能和制品质量2.3 高分高分子成子成形的形的拉伸拉伸流淌流淌u高分子材料成形过程中常遇到流淌行为与剪切流淌不同的拉伸流淌u拉伸流淌的试验探讨比较困难，有些问题尚不特别清晰u2.3.1 拉伸流淌情形u2.3.2 拉伸流变特性2.3.1 拉伸流淌情形拉伸流淌情形
21、n收敛流淌：流体在沿流淌方向截面变小的流道收敛流淌：流体在沿流淌方向截面变小的流道中流淌（或黏弹性流体从流道中流出时受到拉中流淌（或黏弹性流体从流道中流出时受到拉伸的流淌），流体各部分流线不再相互平行伸的流淌），流体各部分流线不再相互平行n流线收敛角流线收敛角 ：流体将变更原有的流淌方向以：流体将变更原有的流淌方向以一自然锥角一自然锥角2 向小管流淌向小管流淌图2.9 收敛流道中流体体元变形过程(a)和流速分布(b)(a)(b)r1r2Z剪切流动区 收敛流动区 剪切流动区n收缩型流道：流体扰动和压力降很大，功率消耗收缩型流道：流体扰动和压力降很大，功率消耗增大并可能影响制品质量增大并可能影响制
22、品质量n最常见收缩型流道：圆锥体形流道和楔形流道最常见收缩型流道：圆锥体形流道和楔形流道n挤出管材口模和注射模具常接受圆锥体形流道挤出管材口模和注射模具常接受圆锥体形流道n挤出板材、片材、流涎薄膜口模常用楔形流道挤出板材、片材、流涎薄膜口模常用楔形流道n收敛型流道作用：收敛型流道作用：可以避开死角可以避开死角降低总压力降低总压力降降削减流淌缺陷（如弹性缺陷）削减流淌缺陷（如弹性缺陷）n通常状况下小于通常状况下小于10图2.10 挤出细流的拉伸流动拉伸流动区转变区喷丝孔中的剪切流动区喷丝板ZAZBn收敛流淌类型：抑制性拉伸流淌和非抑制性拉伸收敛流淌类型：抑制性拉伸流淌和非抑制性拉伸流淌流淌n抑制
23、性拉伸流淌：在收缩流道中流体的收敛流淌抑制性拉伸流淌：在收缩流道中流体的收敛流淌n径向和轴向都存在速度梯度，剪切流淌和拉伸流径向和轴向都存在速度梯度，剪切流淌和拉伸流淌的复合淌的复合n非抑制性拉伸流淌：流体从流道中挤出并受外力非抑制性拉伸流淌：流体从流道中挤出并受外力牵引拉伸的流淌牵引拉伸的流淌n纯拉伸流淌，仅在轴向方向存在速度梯度纯拉伸流淌，仅在轴向方向存在速度梯度n聚合物吹瓶、吹膜、挤管、纺丝、挤出板材或型聚合物吹瓶、吹膜、挤管、纺丝、挤出板材或型材时离开口模的流淌材时离开口模的流淌2.3.2 拉伸流变特性拉伸流变特性n（依据应力方式）拉伸流淌类型：单轴拉伸和双轴拉伸n收敛流道和挤出纺丝的
24、流淌过程属单轴拉伸n薄膜、薄型片材和压延等工艺有单轴拉伸流淌和双轴拉伸流淌两种方式n一、拉伸流淌的流变方程u拉伸流变方程拉伸流变方程：u拉伸应变速率可用拉伸速度梯度表示二、拉伸黏度的影响因素二、拉伸黏度的影响因素1.温度温度拉伸黏度拉伸黏度 随温度的上升而降低随温度的上升而降低2.拉伸应变速率拉伸应变速率低低 或或 范围：范围：通常不变，牛顿流体行为（单通常不变，牛顿流体行为（单轴拉伸时轴拉伸时 ）n几乎与拉伸应力无关（如牛顿流体和聚合度较低的线型聚合物，聚丙烯酸酯类、聚酰胺、聚甲醛和ABS等）n“拉伸硬化”或“拉伸变稠”：拉伸应力约增至剪切黏度起先下降的应力值后拉伸黏度增加（如低密度聚乙烯、
25、聚异丁烯及聚苯乙烯等）n“拉伸变稀”：拉伸应力约增至剪切黏度下降的应力值后拉伸黏度下降（如聚丙烯和高密度聚乙烯等聚合度较高的线性聚合物）F较高较高 或或 ，拉伸黏度变更分为，拉伸黏度变更分为3种类型种类型参比应力参比应力图2.11 拉伸黏度与分子结构、拉伸应力间关系须要留意：有的流体表现出较困难拉伸流淌行为（如须要留意：有的流体表现出较困难拉伸流淌行为（如6.44%聚丁二烯萘烷溶液先拉伸变稀、后拉伸变稠）聚丁二烯萘烷溶液先拉伸变稀、后拉伸变稠）或或 很高：拉伸流淌又表现为牛顿流体行为很高：拉伸流淌又表现为牛顿流体行为“拉伸变稠拉伸变稠”特性重要意义：对化学纤维拉伸、吹塑特性重要意义：对化学纤维
26、拉伸、吹塑薄膜、流涎薄膜（片）等的成形稳定较有利（薄弱部薄膜、流涎薄膜（片）等的成形稳定较有利（薄弱部分或应力集中区域发生拉伸变细时该部位的拉伸应变分或应力集中区域发生拉伸变细时该部位的拉伸应变速率将增大，该细化部位反抗接着拉伸的实力提高，速率将增大，该细化部位反抗接着拉伸的实力提高，不致拉断）不致拉断）3.填料填料n填料及其形态、用量对流体的拉伸黏度会产填料及其形态、用量对流体的拉伸黏度会产生影响生影响n比如：聚丙烯酰胺稀溶液加入玻璃珠，则拉比如：聚丙烯酰胺稀溶液加入玻璃珠，则拉伸黏度随拉伸速率增加而下降伸黏度随拉伸速率增加而下降n长纤维作填料则用量很低（如长纤维作填料则用量很低（如1v%）
27、，拉伸），拉伸黏度比剪黏大几百倍黏度比剪黏大几百倍n4.流体静压力流体静压力n流体静压力增加，拉伸黏度增大流体静压力增加，拉伸黏度增大2.4 高分子成形的流淌分析高分子成形的流淌分析n成形设备和模具各异，基本截面：圆形、环形、狭缝形、矩形、梯形及椭圆形等n极端截面形态：圆形和狭缝形流道两种n设备流道和型腔的流淌分析意义：可为设备与模具设计、成形工艺问题的理解、成形工艺参数的确定和提高设备产能供应依据n流淌分析极其困难：流体在管隙中的流淌特别困难，影响因素很多n圆形流道是最常见流道形式，仅对等径圆管流道的等温稳态层流分析探讨n假设包括：流体不行压缩；流道壁处流体无滑移，即流道壁流体流速为零；流体
28、黏度不随时间而变更；入口和出口效应可忽视n实际稳态层流流淌不完全符合假设：如流道壁滑移、流道各处温度不匀整性、流体可压缩、非严格层流等n假设不会引起大的偏差，计算和分析结果与实际状况比较接近|2.4.1 基本方程的推导基本方程的推导|2.4.2 基本方程的探讨基本方程的探讨|2.4.3 流淌的非等温现象流淌的非等温现象2.4.1 基本方程的推导基本方程的推导一、剪应力分布一、剪应力分布流体在等径圆管流道中的流淌是一维流淌流体在等径圆管流道中的流淌是一维流淌半径半径 、长度、长度 的等径圆管流道，半径的等径圆管流道，半径 、长度、长度 的的流体微液柱体元受力流体微液柱体元受力稳态层流稳态层流(a
29、)受力分析 (b)体积流率微分分析面元图图2.12 流体在等径圆管流道中的流淌分析n 为压力梯度，稳态流淌中与圆管全长范围内压力降 相同n n流体某处剪应力 是该处离管中轴距离 的线性函数n管中轴处 =0，=0；在管壁处 =，为最大值 二、流速分布二、流速分布F流道壁处流体无滑移（即流道壁流体流速为零），以 、为上下限对 积分得：管壁处管壁处 =：管壁处速度 =0管中轴处管中轴处 =0：管中轴处流速 最大：三、体积流率计算三、体积流率计算n等径圆管中流淌的等速线为同心圆，体积流率分析微区面元图分析：n n积分和整理得幂律流体体积流量方程：n 四、剪切速率计算四、剪切速率计算n由幂律方程 得：n
30、 n管壁处 =，管壁处真实剪切速率 ：n n 是著名Rabinowitch修正系数2.4.2 基本方程的探讨基本方程的探讨一、各式对于牛顿流体和非牛顿流体都适用一、各式对于牛顿流体和非牛顿流体都适用二、假如将流体在等径圆管中的平均流速设为二、假如将流体在等径圆管中的平均流速设为 ，则则 ，有：，有：图2.13 值不同时圆管中流体流动的速度分布n牛顿流体牛顿流体 =1：流速分布曲线为抛物线形，管中：流速分布曲线为抛物线形，管中心流速为平均流速两倍心流速为平均流速两倍n胀塑性流体胀塑性流体 1：流速分布曲线较陡峭，：流速分布曲线较陡峭，值越值越大，越接近于锥体形大，越接近于锥体形n =锥体形，管中
31、心速度为平均速度锥体形，管中心速度为平均速度3倍倍n假塑型性流体假塑型性流体 16）：）：Le段入口弹性应变在段入口弹性应变在Ls段松弛，离模膨胀主要缘由是段松弛，离模膨胀主要缘由是Ls段剪切弹性能段剪切弹性能和法向应力差和法向应力差pL/D很小：很小：Le段入口弹性应变来不及完全松弛，段入口弹性应变来不及完全松弛，模膨胀主要缘由是模膨胀主要缘由是Le段剪切和拉伸作用所贮存弹段剪切和拉伸作用所贮存弹性能性能 三、端末效应的影响因素三、端末效应的影响因素n凡是导致流淌中弹性成分增加的因素，都使入口效应和离模膨胀效应突出n（1）分子量高、分子量分布窄、非牛顿性强和弹性模量低的聚合物，入口效应和离模
32、膨胀效应显著n（2）随剪切速率的提高，入口效应和出口膨胀更突出n（3）随温度提高，入口效应和离模膨胀效应减弱，但最大离模膨胀比增大，出现最大离模膨胀比的剪切速率增大图2.17 低密度聚乙烯不同温度下的 膨胀比与剪切速率关系膨 胀比B模壁剪切速率/s-1熔体破裂的近似开始点145160175190205220（4）减小入口收敛角可减小入口效应和降低离模膨胀；适当增大L/D，离模膨胀比降低（5）非圆形截面口模的离模膨胀程度在不同方向存在差异F狭缝口模狭缝口模：厚度方向膨胀比比宽度方向膨胀比大F圆形口模圆形口模剪切应变下径向膨胀比介于狭缝口模两方向膨胀比拉伸应变时则和狭缝口模厚度方向的膨胀比相同n入
33、口效应和离膜膨胀通常对高分子成形都不利n可能导制产品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定性和导致内应力n生产措施：nL/D应尽可能使入口效应消退n适当降低成形速度、提高成形温度和对挤出物适当牵引或拉伸等2.5.2 熔体裂开熔体裂开n熔体裂开是极端不稳定流淌现象：临界剪应力和临界剪切速率图2.18 PMMA在170下不同剪切应力所发生的不稳定流淌的挤出物外观一、熔体裂开机理一、熔体裂开机理n熔体破体机理不很清晰，通常认为两个缘由：n流体流淌时在管壁上出现滑移和流体中的弹性发生回复n流体内部热历史和剪切历史存在差异1.管壁滑移和弹性回复管壁滑移和弹性回复u管壁旁边流体黏滞性较低（管壁旁边剪切速率最大和流淌
34、过程的分级效应），因此流体简洁在管壁处出现滑移，导致流体流速增大u管壁处剪切速率及其梯度最大，剪切弹性形变和弹性贮能较大，导致径向上产生弹性应力，当弹性应力增加到与黏滞阻力相当时，发生弹性回复u管壁旁边黏滞性最低且弹性应力最大，因此弹性回复在管壁旁边较易发生图2.19 稳定流动与不稳定流动的速度分布(a)稳定流动，正常挤出物(b)和(c)不稳定流动，弯曲挤出物弹性应力（a）（b）（c）u熔体裂开（弹性湍流或应力裂开）：流体流速在某处瞬时增大并非雷诺数增大，而是弹性效应所致u熔体裂开挤出物形态特征由管壁滑移和弹性回复的特征确定u比如弹性湍流不稳定点沿着管四周移动，挤出物将呈螺旋状扭曲u假如不稳定
35、点在整个圆周上同时出现，挤出物则呈粗糙的竹节状2.热历史和剪切历史差异热历史和剪切历史差异n流体在入口区域和管内流淌时受到的剪切作用不一样，因而液流中产生不匀整的伪弹性，伪弹性回复能引起熔体裂开现象n入口死角区域存在着旋涡流淌，死角区流体在停留时间内使以前发生的弹性应变部分或全部回复，并且热降解比其它区域的流体厉害，因此流出管口时可引起极不一样的弹性回复。弹性回复力差异能克服黏滞阻力时将引起挤出物畸变和断裂。二、熔体裂开的影响因素二、熔体裂开的影响因素n影响因素：聚合物性质、剪应力（或速率）、流淌影响因素：聚合物性质、剪应力（或速率）、流淌管道及口模几何形态等管道及口模几何形态等n非牛顿性越强
36、（非牛顿性越强（PP、HDPE、PVC）：流速分布呈）：流速分布呈柱塞形，入口处不易产生旋涡，熔体裂开通常是入柱塞形，入口处不易产生旋涡，熔体裂开通常是入口区域或管中流淌时的剪切弹性形变过大而引起口区域或管中流淌时的剪切弹性形变过大而引起n非牛顿性较弱（非牛顿性较弱（PET、LDPE）：流速分布近抛物）：流速分布近抛物线型，入口处易产生旋涡，设备和口模结构不合理线型，入口处易产生旋涡，设备和口模结构不合理时简洁引起热历史和流淌历史差异而出现熔体裂开时简洁引起热历史和流淌历史差异而出现熔体裂开n合适的剪应力和剪切速率是避开出现熔体裂开的重要工艺因素n聚合物不同，出现熔体裂开 的 和不同n 大多约
37、在105107Pa数量级，平均值约1.25105Pan不同聚合物和不同分子量的熔体黏度相差较大，因而 可能相差很大熔体弹性行为越突出，值越低分子量增加和分子量分布变窄，值降低提高温度，和 值均增加，特殊是 值减小收敛角，适当增大 ，流道表面流线型化，值提高高分子成形温度下限不是流淌温度 或 ，而是产生熔体裂开的温度挤出速度的上限是出现熔体裂开时的剪切速率n鲨鱼皮症：挤出物表面上形成很多微小的皱纹，鲨鱼皮症：挤出物表面上形成很多微小的皱纹，类似于鲨鱼皮类似于鲨鱼皮n鲨鱼皮症是另一较稍微的表层不稳定流淌现象鲨鱼皮症是另一较稍微的表层不稳定流淌现象n特征：随不稳定流淌程度不同，皱纹或密或疏，特征：随
38、不稳定流淌程度不同，皱纹或密或疏，呈人字形、鱼鳞状到鲨鱼皮状等呈人字形、鱼鳞状到鲨鱼皮状等n鲨鱼皮症常见：鲨鱼皮症常见：LDPE挤出物挤出物n鲨鱼皮症现象缘由：管壁滑移，弹性回复，对鲨鱼皮症现象缘由：管壁滑移，弹性回复，对挤出物的外部牵引力不稳定挤出物的外部牵引力不稳定2.6 高分子流变性能的测定n理论（阅历）公式常不能很好反映实际，因此试验测定流变性能和绘制流淌曲线n剪切流变测试仪器：毛细管流变仪、旋转式流变仪和落球黏度计等n可用于测量10-31011Pas的剪切黏度n拉伸流变仪两类：稳态拉伸流淌和非稳态拉伸流淌n用于测定熔体黏弹性行为的动态流变仪：偏心盘流变仪、拉伸振动流变仪等n高分子流体
39、流变性能测试时应依据实际成形条件选用流变仪和设定测试条件|2.6.1 毛细管流变仪毛细管流变仪|2.6.2 旋转式流变仪旋转式流变仪|2.6.3 拉伸流变仪拉伸流变仪2.6.1 毛细管流变仪毛细管流变仪n应用应用：主要用于测定聚合物熔体流变性能，可用于测定聚合物溶液流变性能n常用类型常用类型：挤压式毛细管流变仪，剪切速率10-1 106s-1，覆盖多数成形工艺n构造构造：料筒直径9.5mm24mm，最大装料容积60mL。料筒外有加热装置，测温范围为室温400（现最高500），带低温附件时可至40，测控温精度0.1。毛细管直径一般在0.51.5mm之间图2.20 挤压式毛细管流变仪结构示意图1环
40、形加热器2料筒3料筒夹套4加热器外壳5毛细管6底部加热器7热电偶测温计8中部加热器9顶部加热器10仪器支架n方法：通过测定试验过程柱塞施力值和柱塞下方法：通过测定试验过程柱塞施力值和柱塞下降速度，然后计算管壁处降速度，然后计算管壁处 、和和 ，可绘出，可绘出n 、和和 等流淌曲线等流淌曲线n n n n式中，式中，为施加于柱塞的力，为施加于柱塞的力，为柱塞直径（即为柱塞直径（即料筒直径），料筒直径），为料筒截面积，为料筒截面积，为毛细管直径，为毛细管直径，为毛细管长度，为毛细管长度，为柱塞下移速度。为柱塞下移速度。n入口效应、热效应、壁面滑移、料筒中压力降和熔体可压缩等因素以至计算结果应进行必
41、要的校正n测定流淌数据的校正：压力降、热效应、熔体压缩性和非牛顿等影响的校正n毛细管 比值大于20时压力降校正可忽视n多数状况下热效应影响的校正可忽视n熔体压缩性校正依据聚合物状态方程进行校正n接受Rabinowitch或Baglay修正等作非牛顿校正2.6.2 旋转式流变仪旋转式流变仪n应用：测定高分子熔体或浓溶液在狭缝间的黏应用：测定高分子熔体或浓溶液在狭缝间的黏性流淌行为，还可探讨弹性行为和松弛特性等，性流淌行为，还可探讨弹性行为和松弛特性等，范围范围10-5106Pa和和 范围范围10-3103s-1n类型：转筒式流变仪、平行板式流变仪类型：转筒式流变仪、平行板式流变仪n 锥板式流变仪
42、锥板式流变仪n转筒式更适合于浓溶液，后两者主要用于聚合转筒式更适合于浓溶液，后两者主要用于聚合物熔体物熔体MRiRoLMRMMR图2.21 转筒式流变仪的结构与速度分布图2.22 锥板式流变仪的结构与速度分布图2.23 平行板式流变仪的结构与速度分布n转筒式流变仪：通常接受圆筒固定而圆柱转动的方式转筒式流变仪：通常接受圆筒固定而圆柱转动的方式n距圆筒轴心处距圆筒轴心处 的的 、和和 ：n n n n n式中，式中，为平衡时圆柱转矩，为平衡时圆柱转矩，为角速度，为角速度，和和 分别分别为圆筒内半径和圆柱半径，为圆筒内半径和圆柱半径，为圆柱浸液高度为圆柱浸液高度2.6.3 拉伸流变仪拉伸流变仪一、
43、稳态拉伸流变仪一、稳态拉伸流变仪测试：测试：保持恒定保持恒定Ballman法和法和Meissner法：试样浸浴于热油中，热法：试样浸浴于热油中，热油与试样密度相同，试样漂移在热油中，在垂油与试样密度相同，试样漂移在热油中，在垂直方向作用力为零，并保持熔体状态直方向作用力为零，并保持熔体状态nBallman法拉伸流变仪：熔体试样长度随时间呈法拉伸流变仪：熔体试样长度随时间呈指数关系指数关系 增长增长n单轴拉伸黏度单轴拉伸黏度 ：n试验条件：试验条件：试样拉伸变形匀整，不能出现颈缩试样拉伸变形匀整，不能出现颈缩现象；现象；应限制在（应限制在（47）的低应变状态；）的低应变状态；Ballman法是垂
44、直拉伸，对油浴密度要求不很法是垂直拉伸，对油浴密度要求不很严格严格图2.24 Ballman法拉伸流变仪1角位移传感器2伺服电机3卷线盘4线带5保温加热套6油池7试样8压力传感器nMeissner法拉伸流变仪：聚合物熔体试样被密度相同法拉伸流变仪：聚合物熔体试样被密度相同的热油浸漂，试样由一对反向转动的驱动滚轮以作用的热油浸漂，试样由一对反向转动的驱动滚轮以作用力力 夹紧，滚轮（表面线速度夹紧，滚轮（表面线速度 ）以恒定）以恒定 使试样被拉伸长度使试样被拉伸长度 ，拉簧片上的应变片传感器可测，拉簧片上的应变片传感器可测得夹紧拉力得夹紧拉力 或驱动力矩或驱动力矩 ，试样另一端的夹紧，试样另一端的
45、夹紧滚轮供应拉伸的平衡力。剪断刀在拉伸结束后将试样滚轮供应拉伸的平衡力。剪断刀在拉伸结束后将试样剪断以测定最终的回复长度剪断以测定最终的回复长度n试验条件：试验条件：保证试样在整个长度方向上匀整，拉伸保证试样在整个长度方向上匀整，拉伸应力应恒定；应力应恒定；以秒钟计驱动滚轮的转动，保持应变以秒钟计驱动滚轮的转动，保持应变速率恒定速率恒定图2.25 Meissner法拉伸流变仪1金属簧片2应变片测试簧片拉伸变形3驱动电机4驱动滚轮5试样6剪断刀7阻尼夹紧滚轮二、非稳态拉伸流变仪二、非稳态拉伸流变仪n熔体纺丝是非稳态拉伸流淌，测定拉伸黏度可探讨合成纤维相对可纺性n非稳态拉伸流变仪：挤出物在空气中冷
46、却，被电机驱动的鼓轮拉伸成为纤维，鼓轮支承上的拉伸力 可测得。试验时通常渐渐提高鼓轮的转速，留意拉力 的变更，直到纤维断裂，可获知纤维熔体的强度。n实质实质：获得纤维与鼓轮接触点 处表观拉伸黏度 F 、分别为接触点 处的纤维拉伸应力和拉伸应变速率 F 为接触点 处流变张力，、分别为口模、最终纤维的半径，、分别为口模挤出处、鼓轮接触点处熔体线速度，为挤出胀大比图2.26 熔体纺丝的非稳态拉伸流动n目前有商业化流变仪将毛细管流变仪和非稳态拉伸流变仪组合成一套流变仪n具有测定拉伸黏度、挤出物胀大、壁滑速度、熔体裂开、流淌温度、材料降解、应力松弛、熔体强度等多种功能n配有相应计算软件，干脆显示和输出流
47、变数据与流变曲线本章小结本章小结n成形流变特征：高分子流体通常为层流状态；稳态流成形流变特征：高分子流体通常为层流状态；稳态流淌和非稳态流淌；剪切流淌和拉伸流淌；一维流淌、淌和非稳态流淌；剪切流淌和拉伸流淌；一维流淌、二维流淌和三维流淌；等温流淌和非等温流淌二维流淌和三维流淌；等温流淌和非等温流淌n一、高分子成形的剪切流淌一、高分子成形的剪切流淌n高分子流体通常为非牛顿型流体：黏性流体、黏弹性高分子流体通常为非牛顿型流体：黏性流体、黏弹性流体和时间依靠性流体流体和时间依靠性流体n黏性流体和黏弹性流体：假塑性流体、胀塑性流体和黏性流体和黏弹性流体：假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体宾汉流体3 3种
48、类型种类型l幂律方程（即指数定律方程）是描述黏性流体剪切幂律方程（即指数定律方程）是描述黏性流体剪切流变行为的重要方程流变行为的重要方程l时间依靠性流体类型时间依靠性流体类型:触变性流体和震凝性流体触变性流体和震凝性流体l影响因素：温度、压力、剪切速率、分子结构、组影响因素：温度、压力、剪切速率、分子结构、组成和外加力场等成和外加力场等二、高分子成形的拉伸流淌二、高分子成形的拉伸流淌拉伸流淌：抑制性拉伸流淌和非抑制性拉伸流淌拉伸流淌：抑制性拉伸流淌和非抑制性拉伸流淌抑制性拉伸流淌称为收敛流淌，是剪切流淌和拉伸抑制性拉伸流淌称为收敛流淌，是剪切流淌和拉伸流淌的复合流淌的复合非抑制性拉伸流淌是纯粹
49、的拉伸流淌非抑制性拉伸流淌是纯粹的拉伸流淌三、高分子成形的流淌分析三、高分子成形的流淌分析幂律流体在等径圆管流道的等温稳态层流是一维流幂律流体在等径圆管流道的等温稳态层流是一维流淌淌管中心的剪应力和剪切速率为零，管壁处的剪应力管中心的剪应力和剪切速率为零，管壁处的剪应力和剪切速率最大和剪切速率最大 值影响流体在等径圆管流道中的流淌速度分布曲值影响流体在等径圆管流道中的流淌速度分布曲线形态和特征线形态和特征四、高分子成形的流体弹性四、高分子成形的流体弹性最常见弹性行为：入口效应、离模膨胀和熔体裂最常见弹性行为：入口效应、离模膨胀和熔体裂开开入口效应通常认为是由入口处拉伸流淌和剪切增入口效应通常认
50、为是由入口处拉伸流淌和剪切增加所导致加所导致离模膨胀效应通常认为是弹性贮能和法向应力所离模膨胀效应通常认为是弹性贮能和法向应力所引起引起熔体裂开缘由：管壁滑移和弹性回复；热历史和熔体裂开缘由：管壁滑移和弹性回复；热历史和剪切历史差异剪切历史差异五、高分子流变性能的测定五、高分子流变性能的测定简要介绍毛细管流变仪、旋转式流变仪和拉伸流简要介绍毛细管流变仪、旋转式流变仪和拉伸流变仪变仪人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通