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1、聚合反应工程讲课课件现在学习的是第1页，共27页 RecommendedTextBook:史子瑾主编聚合反应工程基础，化学工业出版社.计其达主编聚合过程及设备，化学工业出版社.现在学习的是第2页，共27页第二章第二章 非牛顿流体的流动和传热非牛顿流体的流动和传热CHAPTER2Flow and Heat-Transfer for Non-Newtonian Fluids现在学习的是第3页，共27页本章主要内容本章主要内容(ChapterOutline)非牛顿流体的概念非牛顿流体的概念 分类，特征，流动特性分类，特征，流动特性流变性的测量方法流变性的测量方法非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动 圆管
2、中的流动计算圆管中的流动计算非牛顿流体的传热非牛顿流体的传热 层流传热，湍流传热层流传热，湍流传热现在学习的是第4页，共27页非牛顿流体的概念非牛顿流体的概念非牛顿流体的流动特性非牛顿流体的流动特性非牛顿流体在圆管中流动的计算非牛顿流体在圆管中流动的计算高聚物剪切流动曲线高聚物剪切流动曲线本章重点及难点本章重点及难点 (Emphasisandnodus)现在学习的是第5页，共27页 剪切应力与剪切速率的比值，在定温下不是常数，即黏度随剪切速率、剪切应力或时间而变化，在流动曲线图上，不呈直线，或虽呈直线但不通过原点。称这类流体为非牛顿流体。非牛顿流体在流动、混合、搅拌、传热等方面，都具有不同于牛
3、顿流体的特征，从而对高聚物的生产和后处理过程以及成型加工等方面产生很大影响。非牛顿流体非牛顿流体(Non-NewtonianFluids)(Non-NewtonianFluids)流动曲线流动曲线流动曲线流动曲线现在学习的是第6页，共27页图图2-2（b）各种不同流体的流动曲线）各种不同流体的流动曲线C：胀塑性流体：胀塑性流体D：宾汉塑性流体：宾汉塑性流体E：屈服：屈服-假塑性流体假塑性流体F：屈服：屈服-胀塑性流体胀塑性流体A：牛顿流体：牛顿流体B：假塑性流体：假塑性流体剪切速率剪切速率 非牛顿流体流动曲线比较非牛顿流体流动曲线比较现在学习的是第7页，共27页 非依时性非牛顿流体非依时性非牛
4、顿流体1.假塑性流体和胀塑性流体2.宾汉塑性流体 依时性非牛顿流体依时性非牛顿流体1.触变性流体2.震凝性流体黏弹性流体黏弹性流体 非牛顿流体分类与特征非牛顿流体分类与特征 现在学习的是第8页，共27页 非牛顿流体的表观黏度非牛顿流体的表观黏度 (apparentshearviscosity)图图2-4 表观黏度与剪切速率的关系表观黏度与剪切速率的关系A：牛顿流体：牛顿流体B：假塑性流体：假塑性流体(n1)现在学习的是第9页，共27页 高聚物流体流动曲线特征高聚物流体流动曲线特征AB:第一牛顿区第一牛顿区,零剪切黏度零剪切黏度CD:第二牛顿区第二牛顿区,极限剪切黏度极限剪切黏度BC:假塑性区假
5、塑性区,黏度随剪切速率的增加而降低黏度随剪切速率的增加而降低现在学习的是第10页，共27页1、第一牛顿区第一牛顿区低切变速率，曲线的斜率n1，符合牛顿流动定律。该区的黏度通常称为零切黏度零切黏度。2、假塑性区假塑性区(非牛顿区非牛顿区)流动曲线的斜率n1，该区的黏度为表观黏度a，随着切变速率的增加，a值变小。通常聚合物流体加工成型时所经受的切变速率正在这一范围内。3、第二第二牛顿区牛顿区 在高切变速率区，流动曲线的斜率 n1，符合牛顿流动定律。该区的黏度称为无无穷穷切切剪切剪切黏度黏度或极限极限剪切剪切黏度黏度。从聚合物流动曲线，可求得、和a。高聚物流体流动曲线图上的三个区域高聚物流体流动曲线
6、图上的三个区域现在学习的是第11页，共27页 假塑性行为常常只表现在某一剪切速率范围内，在很高或很低的剪切速率下，流体均表现为牛顿行为。高聚物流体流动曲线特征高聚物流体流动曲线特征原因原因剪切速率小时，大分子不取向或取向甚微，呈牛顿性剪切速率小时，大分子不取向或取向甚微，呈牛顿性.剪切速率渐增，大分子随剪切速率逐步取向，显示假剪切速率渐增，大分子随剪切速率逐步取向，显示假 塑性塑性.剪切速率很高时，大分子来不及取向，或已充分取向，剪切速率很高时，大分子来不及取向，或已充分取向，流体黏度不再随剪切速率变化，流体又表现出牛顿性流体黏度不再随剪切速率变化，流体又表现出牛顿性.现在学习的是第12页，共
7、27页聚合物加工成各种制品的过程，主要包括塑料加工、橡胶加工和化学纤维纺丝，这三者的共性研究体这三者的共性研究体现为聚合物流变学现为聚合物流变学。聚合物的性能高弹形变和黏弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构的大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切的关系。聚合物的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。研究聚合物流变学的意义研究聚合物流变学的意义现在学习的是第13页，共27页流流 体体 类类 别别 定义定义 实例实例 理理想想流体流体无黏性及完全不可压无黏性及完全不可压缩的一种假想流体缩的一种假想流体实实际际
8、流流体体牛顿流体牛顿流体有黏性、可压缩的流有黏性、可压缩的流体体 满足牛顿内摩擦满足牛顿内摩擦定律定律 水、空气、水、空气、汽油、煤油、汽油、煤油、甲苯、乙醇甲苯、乙醇等等 非非牛牛顿顿流流体体宾汉型宾汉型塑性流塑性流体体 牙膏、泥浆、牙膏、泥浆、血浆等血浆等 假塑性假塑性流体流体 橡胶、油漆、橡胶、油漆、尼龙等尼龙等 胀塑性胀塑性流体流体生面团、浓生面团、浓淀粉糊淀粉糊 流流 体体 分分 类类现在学习的是第14页，共27页1.非牛顿流体可分为那几类？各有何主要特征非牛顿流体可分为那几类？各有何主要特征？2.影响高聚物剪切流动曲线的因素有哪些？影响高聚物剪切流动曲线的因素有哪些？3.名词解释名
9、词解释:入口效应入口效应,孔口膨大效应孔口膨大效应(Barns),弹性回缩现弹性回缩现象象,法向应力效应法向应力效应,Toms效应效应4.为何流体的假塑性行为只表现在某一剪切速为何流体的假塑性行为只表现在某一剪切速率范围内？率范围内？5.指出下列体系可能属于那种非牛顿流体类型指出下列体系可能属于那种非牛顿流体类型？高分子凝胶，饱和聚酯溶液，牙膏，高分子凝胶，饱和聚酯溶液，牙膏，聚丙聚丙烯熔体。烯熔体。习题习题现在学习的是第15页，共27页1.平均分子量与分子量分布平均分子量与分子量分布 高分子的浓溶液及熔融高聚物的黏度与分子量的关系，可由下式表示：当 较低时，s=1-2，当 达到一个临界值之后
10、，s=3.4,当 低于临界值时，溶液为牛顿型。高聚物剪切流动曲线与各种因素的关系高聚物剪切流动曲线与各种因素的关系WhenMMc现在学习的是第16页，共27页分子量分布相似时，黏度随分子量的增加而增加，向低值位移。图2-17(a)分子量分布相似时,不同分子量的关系,A,B,C-非牛顿流体;D-牛顿流体 平均分子量、分子量分布对黏度的影响平均分子量、分子量分布对黏度的影响现在学习的是第17页，共27页分子量分布宽的 出现非牛顿流动 的 值比分子量 分布窄的要低得 多。且分子量分 布越宽，偏离牛 顿流动越远。平均分子量、分子量分布对黏度的影响平均分子量、分子量分布对黏度的影响A-分子量分布窄分子量
11、分布窄B-分子量分布宽分子量分布宽现在学习的是第18页，共27页 温度、压力和浓度对非牛顿流体的影响温度、压力和浓度对非牛顿流体的影响 升高温度，黏度降低升高温度，黏度降低，还将改变流体的类型，还将改变流体的类型增加压力，则黏度提高增加压力，则黏度提高高聚物溶液多为假塑性流体，零剪切黏度与溶液浓度的关系可表示高聚物溶液多为假塑性流体，零剪切黏度与溶液浓度的关系可表示如下：如下：A,d均为常数，将 对 作图，得图2-18。现在学习的是第19页，共27页Cc为临界浓度，低于Cc的溶液为牛顿型，高于Cc的溶液为非牛顿型。其斜率随剪切速率的增加而下降。溶液的浓度越大，假塑性溶液的浓度越大，假塑性程度越
12、高。程度越高。浓度对非牛顿流体特性的影响浓度对非牛顿流体特性的影响 现在学习的是第20页，共27页流变学流变学：是研究材料流动和变形的科学是研究材料流动和变形的科学高聚物流变学高聚物流变学：是流变学的一个分支，着重研究是流变学的一个分支，着重研究高聚物熔体的流变性，它是一门十分年轻的科学，高聚物熔体的流变性，它是一门十分年轻的科学，近几十年来才得到重视。由于实际上的困难，连近几十年来才得到重视。由于实际上的困难，连定性的规律也还没有取得一致的看法。我们在这定性的规律也还没有取得一致的看法。我们在这里主要讨论高聚物流变性的一些基本规律，尽管里主要讨论高聚物流变性的一些基本规律，尽管不够完善，不够
13、完善，但对于指导高聚物成型加工还是有意但对于指导高聚物成型加工还是有意义的义的。高聚物流变学高聚物流变学现在学习的是第21页，共27页低分子液体流动所产生的形变是完全不可逆低分子液体流动所产生的形变是完全不可逆的，而高聚物在流动过程中所发生的形变中：的，而高聚物在流动过程中所发生的形变中：只有一部分（黏性流动）是不可逆的。只有一部分（黏性流动）是不可逆的。高聚物流体的流变性和黏弹性高聚物流体的流变性和黏弹性Modelofamonomer因为高聚物的流动并不是高分子链之间的因为高聚物的流动并不是高分子链之间的简单的相对滑移的结果，而是各个链段分简单的相对滑移的结果，而是各个链段分段运动的总结果。
14、在外力作用下，高分子段运动的总结果。在外力作用下，高分子链顺外力场有所伸展，这就是说，在高聚链顺外力场有所伸展，这就是说，在高聚物进行黏性流动的同时，必然会伴随一定物进行黏性流动的同时，必然会伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形变显然是可量的高弹形变，这部分高弹形变显然是可逆的，外力消失后，高分子链又要蜷曲起逆的，外力消失后，高分子链又要蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。来，因而整个形变要恢复一部分。现在学习的是第22页，共27页影响熔体黏度的因素有内因和外因两方面：影响熔体黏度的因素有内因和外因两方面：内因：分子链的结构、分子量及其分布内因：分子链的结构、分子量及其分布外因：温度、填加剂、外
15、力作用情况外因：温度、填加剂、外力作用情况 影响高聚物熔体黏度的因素影响高聚物熔体黏度的因素化学组成相同，但分子结构和聚集态不同的聚合物，在熔体黏度上化学组成相同，但分子结构和聚集态不同的聚合物，在熔体黏度上可以有很大差别可以有很大差别 。现在学习的是第23页，共27页不同用途对分子量有不同的要求不同用途对分子量有不同的要求合成橡胶一般控制在合成橡胶一般控制在20万；万；合成纤维一般控制在合成纤维一般控制在1.5万万10万；万；塑料居橡胶和与纤维之间，塑料居橡胶和与纤维之间，不同加工方法对分子量有不同要求不同加工方法对分子量有不同要求挤出成型要求分子量较高；挤出成型要求分子量较高；注射成型要求
16、分子量较低；注射成型要求分子量较低；吹塑成型在挤出和注射两者之间。吹塑成型在挤出和注射两者之间。高聚物流体的流变性与加工成型高聚物流体的流变性与加工成型高聚物流体的流变性与加工成型高聚物流体的流变性与加工成型例如纤维：例如纤维：尼龙尼龙6：1.5万万2.3万万尼龙尼龙66：2.2万万2.7万万聚酯：聚酯：2万万聚丙烯腈：聚丙烯腈：2.5万万8万万聚丙烯：聚丙烯：12万万现在学习的是第24页，共27页Williams，Landel，Ferry根据大量的实验数据，提出著名的根据大量的实验数据，提出著名的WLF方程方程，表明了黏度和温度的半定量关系：，表明了黏度和温度的半定量关系：这是一个成功的式子
17、，很好地描述了高聚物在这是一个成功的式子，很好地描述了高聚物在 +100 范围范围内黏度与温度的关系。对于大多数非晶高聚物，可由上式计算该内黏度与温度的关系。对于大多数非晶高聚物，可由上式计算该温度范围内的黏度。温度范围内的黏度。高聚物的高聚物的高聚物的高聚物的WLFWLF方程方程方程方程 与与与与T T的关系的关系的关系的关系现在学习的是第25页，共27页柔性链的黏度随剪切速率增加明显下降。柔性链的黏度随剪切速率增加明显下降。原因：链柔顺，易取向。如聚氯醚。原因：链柔顺，易取向。如聚氯醚。刚性链则不敏感。刚性链则不敏感。原因：链刚性，分子间力大，不易受剪原因：链刚性，分子间力大，不易受剪 切
18、力而取向切力而取向。温度对不同结构聚合物熔体黏度的影响温度对不同结构聚合物熔体黏度的影响 12341POM聚甲醛（聚甲醛（Polyoxymethylene：柔性，敏感）柔性，敏感）2醋酸纤维素（柔性，敏感）醋酸纤维素（柔性，敏感）3PMMA（PolymethylMethacrylate）聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯，又称又称“亚克力亚克力”、“有机玻璃有机玻璃”。（刚性，不敏感）。（刚性，不敏感）4PC（刚性，不敏感）（刚性，不敏感）各种高聚物的曲线均成直线关系。各种高聚物的曲线均成直线关系。不同高聚物的曲线的斜率不同，不同高聚物的曲线的斜率不同，这意味着不同高聚物的对温度的这意味着不同高聚物的对温度的 不同敏感性。不同敏感性。现在学习的是第26页，共27页Thank you!现在学习的是第27页，共27页