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1、高分子材料基本加工工艺第二章第四节第1页，本讲稿共12页 聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象。什么是入口效应？1入口效应 如图所示，熔体从大直径管道进入小直径管道，需经一定距离Le后方能稳态流动。第2页，本讲稿共12页 入口区压力降突增的原因：聚合物以收敛方式进入小直径管时，为保持体积流率不变，如果管壁处的流速仍保持为零就只有增大熔体内的速度梯度，才能满足调整流速的要求，为此只有消耗适当的能量才能增大速度梯度，加之随流速的增大，流动的动能也相应增大，这也使能量的消耗增多；熔体内的剪切速率增大，迫使聚合物大分子更大和更快的变形，而这种具有高弹性特征的形变，需克服分子内和
2、分子间的作用力，也要消耗一定的能量。第3页，本讲稿共12页 2离模膨胀效应什么是离模膨胀效应？当聚合物熔体流出流道或浇口时，熔流发生体积膨胀的现象叫做离模膨胀效应。第4页，本讲稿共12页 离模膨胀的原因：聚合物熔体从流道中流出后，周围压力大大减小，聚合物内的大分子突然变得自由，流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复蜷曲，各分子链的间距随之增大，熔体在流道中形成的取向结构也将重新恢复到无序的平衡状态，导致聚合物内自由空间增大，于是体积相应发生膨胀。第5页，本讲稿共12页影响离模膨胀的因素：（1）黏度大和非牛顿性强的聚合物熔体在流动过程中容易产生较大的弹性变形，故离模膨胀效应严重。（3）增大切应力
3、和剪切速率(不能超过极限值)时，聚合物熔体在流动过程中的弹性变形随着增加，离模膨胀效应加剧。（4）在中等剪切速率范围内，降低温度不仅会增大入口效应和延长松弛时间，同时还会因此而加剧离模膨胀效应。但当剪切速率超过稳定流动允许的极限剪切速率后，离模膨胀反而会随剪切速率增大而减小。（2）增大流道直径和流道的长径比，以及减小流道入口处的收敛角，都能减小熔体流动过程中的弹性变形，从而减轻离模膨胀效应。第6页，本讲稿共12页第四节高分子熔体在简单截面导管中的流动第四节高分子熔体在简单截面导管中的流动一、高分子熔体在长圆管中的流动一、高分子熔体在长圆管中的流动取一液柱进行分析推导可以得出任意半径取一液柱进行
4、分析推导可以得出任意半径r r处的流层所受到的剪切应处的流层所受到的剪切应力为：力为：P P为圆管两端的压力降、为圆管两端的压力降、L L为管长。从式中可知，为管长。从式中可知，管壁处剪切应力最大，中心处为零；管壁处剪切应力最大，中心处为零；剪切应力与流动性无关；剪切应力与流动性无关；剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系；如图：剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系；如图：假设：聚合物流体（熔体或分散体）在圆管内作压力流动、层流，且在等温假设：聚合物流体（熔体或分散体）在圆管内作压力流动、层流，且在等温条件下稳态流动。条件下稳态流动。第7页，本讲稿共12页1、牛顿流体剪切
5、应力与剪切速率的关系是直线剪切应力与剪切速率的关系是直线剪切速率就是流体速度沿半径方向的变化速率剪切速率就是流体速度沿半径方向的变化速率（速度梯度），把剪切应力关系式带入积分得任（速度梯度），把剪切应力关系式带入积分得任意半径速度关系式意半径速度关系式得圆管中的层流流动的速度分布为一椭圆函数得圆管中的层流流动的速度分布为一椭圆函数单位时间内体积流量单位时间内体积流量Q Q，称为，称为Hagen-Hagen-PoiseuillePoiseuille方程方程 进行变换得进行变换得管壁处剪切速率管壁处剪切速率第8页，本讲稿共12页2、非牛顿流体剪切应力与剪切速率剪切应力与剪切速率是非直线的是非直线的
6、同理可得任意半径处同理可得任意半径处速度分布得公式速度分布得公式1-29由此看出，速度分布与由此看出，速度分布与流动指数有关，在中流动指数有关，在中心处流速最大，管壁心处流速最大，管壁处为零。在管径方向处为零。在管径方向的分布可用图表示：的分布可用图表示：第9页，本讲稿共12页非牛顿型流体在圆管中流动时的速度分布 m m小于小于1 1为膨胀型流体；为膨胀型流体；m m为极限情况，流动为为极限情况，流动为柱塞式；柱塞式；m=1m=1为牛顿型流体为牛顿型流体 ；M M大于大于1 1为假塑性流体；为假塑性流体；m=m=无穷为极限情况。无穷为极限情况。第10页，本讲稿共12页在资料上所查的流动曲线大多
7、数是用牛顿流体的剪切在资料上所查的流动曲线大多数是用牛顿流体的剪切速率作出的，将非牛顿流体的剪切速率看作牛顿流速率作出的，将非牛顿流体的剪切速率看作牛顿流体时的剪切速率，即所谓的体时的剪切速率，即所谓的表观剪切速率（又叫牛表观剪切速率（又叫牛顿剪切速率）。顿剪切速率）。真实剪切速率与表观剪切速率的关系真实剪切速率与表观剪切速率的关系为非牛顿流体的拉宾罗维奇（为非牛顿流体的拉宾罗维奇（Rabinowitsch)Rabinowitsch)改正。改正。第11页，本讲稿共12页同样也可以用流动常数同样也可以用流动常数K K来修正，引入一个表观流动来修正，引入一个表观流动常数常数K K：在工程上，处理非牛顿流体时，就可以先作为牛顿流在工程上，处理非牛顿流体时，就可以先作为牛顿流体看待，然后在进行修正，使结果更真实。体看待，然后在进行修正，使结果更真实。看书看书2323页例题。页例题。二、高分子流体在狭缝形导管内的流动二、高分子流体在狭缝形导管内的流动第12页，本讲稿共12页