1、2022-3-27 聚合物的流变性质是聚合物流变学研究的范畴聚合物的流变性质是聚合物流变学研究的范畴 聚合物流变学主要研究对象：是认识应聚合物流变学主要研究对象：是认识应力作用下，聚合物产生的弹性、塑性、粘性形力作用下，聚合物产生的弹性、塑性、粘性形变及这些行为与各因素之间的关系。变及这些行为与各因素之间的关系。2022-3-27 聚合物加工流变学主要任务聚合物加工流变学主要任务： 以聚合物流体（主要是熔体）作为研究对象，应以聚合物流体（主要是熔体）作为研究对象，应用流变学的基本原理，分析和处理高分子材料加工用流变学的基本原理，分析和处理高分子材料加工过程中的工艺和工程问题，从而提高制品的质量
2、和过程中的工艺和工程问题，从而提高制品的质量和生产效率。生产效率。 简单说：简单说： 聚合物流体的流变学是研究聚合物聚合物流体的流变学是研究聚合物流动和形变流动和形变的科学。的科学。 而聚合物加工流变学就是适应聚合物加工发展而聚合物加工流变学就是适应聚合物加工发展的需要而提出的。的需要而提出的。2022-3-27聚合物流体包括聚合物流体包括粘流温度或熔点粘流温度或熔点以上的熔融聚合以上的熔融聚合物（熔体）物（熔体）在不高温度下保持在不高温度下保持流动的聚合物溶液流动的聚合物溶液（液体）或悬浮体（液体）或悬浮体（分散体）（分散体）2022-3-27教学目的和要求教学目的和要求1、掌握粘度的定义及
3、影响粘度的因素。、掌握粘度的定义及影响粘度的因素。2、了解弹性的表现和表征。、了解弹性的表现和表征。3、了解聚合物的流动类型。、了解聚合物的流动类型。重点和难点重点和难点1、聚合物的非牛顿剪切粘性。、聚合物的非牛顿剪切粘性。2、聚合物流体的弹性行为。、聚合物流体的弹性行为。2022-3-27层流和湍流层流和湍流 聚合物熔体，在成型过程中流动时，其雷诺准聚合物熔体，在成型过程中流动时，其雷诺准数一般小于数一般小于10，分散体也不会大于，分散体也不会大于2100，因此其，因此其流动均为层流。流动均为层流。Re2100 湍流湍流 Re=21004000 过渡态过渡态（介于层流与湍流介于层流与湍流）低
4、分子流体低分子流体第一节第一节 聚合物流体的流动类型聚合物流体的流动类型2022-3-27 原因：原因： 粘 度 高 ， 如 低 密 度 聚 乙 烯 的 熔 体 粘 度 约粘 度 高 ， 如 低 密 度 聚 乙 烯 的 熔 体 粘 度 约0.31021103Pa.s，而且流速较低，在加工过程中，而且流速较低，在加工过程中剪切速率一般不大于剪切速率一般不大于103s1。 但是在特殊场合，如经小浇口的熔体注射但是在特殊场合，如经小浇口的熔体注射进大型腔，由于剪切应力过大等原因，会出现进大型腔，由于剪切应力过大等原因，会出现弹性湍流，熔体会发生破碎，破坏成型。弹性湍流，熔体会发生破碎，破坏成型。20
5、22-3-27 凡流体在输送通道中流动时，该流体在任何凡流体在输送通道中流动时，该流体在任何部位的流动状况保持恒定，不随时间而变化，即一部位的流动状况保持恒定，不随时间而变化，即一切影响流体流动的因素都不随时间而改变，此种流切影响流体流动的因素都不随时间而改变，此种流动称为稳定流动。动称为稳定流动。 所谓稳定流动，并非是流体在各部位的速度以所谓稳定流动，并非是流体在各部位的速度以及物理状态都相同。而是指在任何一定部位，它们及物理状态都相同。而是指在任何一定部位，它们均不随时间而变化。均不随时间而变化。稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 正常操作的挤出机中，塑料熔体沿螺杆螺正常操作的挤出机
6、中，塑料熔体沿螺杆螺槽向前流动属稳定流动，因其流速、流量、槽向前流动属稳定流动，因其流速、流量、压力和温度分布等参数均不随时间而变动。压力和温度分布等参数均不随时间而变动。2022-3-27 等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下的流动。的流动。 在等温流动情况下，流体与外界可以进行热量在等温流动情况下，流体与外界可以进行热量传递，但传入和输出的热量应保持相等。传递，但传入和输出的热量应保持相等。 常常将常常将熔体充模流动阶段熔体充模流动阶段当作等温流动过程来当作等温流动过程来处理，因为不会有过大的偏差，却可以使充模过程处理，因为不会有过大的偏差，却可
7、以使充模过程的流变分析大为简化。的流变分析大为简化。等温流动和非等温流动等温流动和非等温流动2022-3-27 在聚合物加工的实际条件下，聚合物流体的在聚合物加工的实际条件下，聚合物流体的流动一般均呈现非等温状态。流动一般均呈现非等温状态。 一方面是由于成型工艺要求将流道各区域一方面是由于成型工艺要求将流道各区域控制在不同的温度下；控制在不同的温度下； 另一方面，是由于粘性流动过程中有生热另一方面，是由于粘性流动过程中有生热和热效应。和热效应。 这些都使其在流道径向和轴向存在一定的这些都使其在流道径向和轴向存在一定的温度差。例如塑料的注射成型，熔体在进入低温度差。例如塑料的注射成型，熔体在进入
8、低温的模具后就开始冷却降温。温的模具后就开始冷却降温。2022-3-27 当流体在流道内流动时、由于外力作用方式和当流体在流道内流动时、由于外力作用方式和流道几何形状的不同，流体内质点的速度分布具有流道几何形状的不同，流体内质点的速度分布具有不同特征：不同特征： 一维流动：流体内质点的速度只在一个方向上一维流动：流体内质点的速度只在一个方向上变化，即在流道截面上任何一点的速度只需用一个变化，即在流道截面上任何一点的速度只需用一个垂直于流动方向的坐标表示。垂直于流动方向的坐标表示。一维流动、二维流动和三维流动一维流动、二维流动和三维流动 聚合物熔体在等截面圆管内作层状流动时，聚合物熔体在等截面圆
9、管内作层状流动时，其速度分布仅是圆管半径的函数，是一种典其速度分布仅是圆管半径的函数，是一种典型的一维流动。型的一维流动。2022-3-27 二维流动：流道截面上各点的速度需要二维流动：流道截面上各点的速度需要两个垂直两个垂直于流动方向于流动方向的坐标表示。例如流体在矩形和椭圆型截的坐标表示。例如流体在矩形和椭圆型截面通道中流动时，其流速在通道的高度和宽度两个方面通道中流动时，其流速在通道的高度和宽度两个方向均发生变化，是典型的二维流动。向均发生变化，是典型的二维流动。 三维流动：流体在截面变化的通道中流动，三维流动：流体在截面变化的通道中流动，如锥如锥形通道或收缩型管道形通道或收缩型管道，其
10、质点速度不仅沿通道截面的，其质点速度不仅沿通道截面的纵横两个方向变化，而且也沿主流动方向变化。即流纵横两个方向变化，而且也沿主流动方向变化。即流体的流速要用三个相互垂直的坐标表示，因而称为三体的流速要用三个相互垂直的坐标表示，因而称为三维流动。维流动。 二维流动和三维流动的规律在数学处理二维流动和三维流动的规律在数学处理上，比较一维流动要复杂很多。上，比较一维流动要复杂很多。 有的二维流动，如平行板狭缝通道和间隙有的二维流动，如平行板狭缝通道和间隙很小的圆环通道中的流动，按一维流动作近很小的圆环通道中的流动，按一维流动作近似处理时不会有很大的误差。似处理时不会有很大的误差。2022-3-27拉
11、伸流动：质点速拉伸流动：质点速度沿着流动方向发度沿着流动方向发生变化；生变化；剪切流动：质点速剪切流动：质点速度仅沿着与流动方度仅沿着与流动方向垂直的方向发生向垂直的方向发生变化。变化。拉伸流动和剪切流动拉伸流动和剪切流动 按照流体内质点速度分布与流动方向关系，可按照流体内质点速度分布与流动方向关系，可将聚合物加工时的流体的流动分为两类：将聚合物加工时的流体的流动分为两类：2022-3-27 由边界的运动而产生的流动，如运转滚筒表由边界的运动而产生的流动，如运转滚筒表面对流体的剪切摩擦而产生流动，即为面对流体的剪切摩擦而产生流动，即为拖曳流动。拖曳流动。 而边界固定，由外压力作用于流体而产生的
12、流而边界固定，由外压力作用于流体而产生的流动，称为动，称为压力流动。压力流动。 剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动 聚合物熔体注射成型时，在流道内的流动属聚合物熔体注射成型时，在流道内的流动属于压力梯度引起的剪切流动。于压力梯度引起的剪切流动。 聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切流动，即拖曳流动。流动，即拖曳流动。2022-3-27 聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种：聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种： 剪切应力、拉伸应力和静压力。剪切应力、拉伸应力和静压力。 在高分子材料成型
13、过程中，聚合物的材料随受在高分子材料成型过程中，聚合物的材料随受力性质与作用位置的不同而产生不同类型的力性质与作用位置的不同而产生不同类型的应力、应力、应变和应变速率。应变和应变速率。 第二节第二节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性聚合物流体的非牛顿剪切粘性 对成型影响最大的是剪切应力对成型影响最大的是剪切应力, ,因为成型时液因为成型时液态聚合物在设备或模具中流动的压力降、所需功态聚合物在设备或模具中流动的压力降、所需功率以及制品质量等都要受到它的制约。率以及制品质量等都要受到它的制约。 其次是拉伸应力其次是拉伸应力，经常与剪切应力同时出现，经常与剪切应力同时出现，如用吹塑法或拉幅法生产薄膜，熔体
14、在变截面导管如用吹塑法或拉幅法生产薄膜，熔体在变截面导管中的流动以及单丝的生产等。中的流动以及单丝的生产等。 成型时液体静压力影响相对较小，可忽略不计，成型时液体静压力影响相对较小，可忽略不计，但对粘度有影响。但对粘度有影响。2022-3-27 例如：例如： 聚合物在简单的管和槽中的流动，由于压力的聚合物在简单的管和槽中的流动，由于压力的作用引起的流动，属于简单的一维压力流动，在作用引起的流动，属于简单的一维压力流动，在流动中只受到剪切力的作用。流动中只受到剪切力的作用。 聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。为剪切流动。 为研究方便，可将层流
15、流体视为一层层彼此相为研究方便，可将层流流体视为一层层彼此相邻的液体在剪切应力邻的液体在剪切应力作用下的相对滑移。作用下的相对滑移。2022-3-272022-3-27 在一定温度下，施加于相距在一定温度下，施加于相距dr的液层上的剪切应的液层上的剪切应力（单位为力（单位为N/m2）,与层流间的剪切速率与层流间的剪切速率d/dr（又（又称速度梯度，单位为称速度梯度，单位为s-1）成正比，其表达式：）成正比，其表达式： drdv式中式中 - 比例常数，称为粘度，比例常数，称为粘度，Pas层流可以用牛顿流体流动定律来描述：层流可以用牛顿流体流动定律来描述：2022-3-27加工过程中聚合物流变行为
16、可用粘度加工过程中聚合物流变行为可用粘度表征表征粘度：液层单位表面上所加的剪切力与液层间的粘度：液层单位表面上所加的剪切力与液层间的速度梯度（剪切速率）的比值，速度梯度（剪切速率）的比值，粘度是液体自身所固有的性质粘度是液体自身所固有的性质，它的大小表征液体，它的大小表征液体抵抗外力引起流动变形的能力。抵抗外力引起流动变形的能力。2022-3-27 对于小分子流体该粘度为常数，称为牛顿对于小分子流体该粘度为常数，称为牛顿粘度。粘度。 而对于聚合物流体，由于大分子的长链结而对于聚合物流体，由于大分子的长链结构和缠结，剪切力和剪切速率不成比例，流体构和缠结，剪切力和剪切速率不成比例，流体的剪切粘度
17、不是常数，依赖于剪切作用。的剪切粘度不是常数，依赖于剪切作用。 具有这种行为的流体称为非牛顿流体，非具有这种行为的流体称为非牛顿流体，非牛顿流体的粘度定义为非牛顿粘度或表观粘度。牛顿流体的粘度定义为非牛顿粘度或表观粘度。2022-3-27根据应变时有无弹性和根据应变时有无弹性和应变对时间有无依赖关系，非牛顿液体分为：应变对时间有无依赖关系，非牛顿液体分为：非非牛牛顿顿液液体体粘弹性液体粘弹性液体有时间依赖性液体有时间依赖性液体（宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体）（宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体）震凝性液体（震凝性液体（tt）触变性液体（触变性液体（tt）粘性液体粘性液体非牛顿液体类型非牛顿液
18、体类型2022-3-27描述非牛顿流体流动的关系式采用幂律定律描述非牛顿流体流动的关系式采用幂律定律式中的式中的n为非牛顿指数，为非牛顿指数，当当n=1时流体具有牛顿行为；时流体具有牛顿行为；当当n=1，当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定，当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定刚度，但当剪切应力超过时流体就流动，这种流体称为刚度，但当剪切应力超过时流体就流动，这种流体称为宾汉塑性流体宾汉塑性流体;当当n1时，表观粘度随剪切速率的增大而减小，这种流时，表观粘度随剪切速率的增大而减小，这种流体称为假塑性流体或切力变稀流体，大部分聚合物流体体称为假塑性流体或切力变稀流体，大部分聚合物流体都属
19、于这种；都属于这种；当当n1，表观粘度随剪切速率的增大而增大，这种流体，表观粘度随剪切速率的增大而增大，这种流体称为膨胀性流体或切力增稠流体。称为膨胀性流体或切力增稠流体。K:粘度系数粘度系数N:非牛顿指数非牛顿指数2022-3-27流体的流动曲线类型流体的流动曲线类型2022-3-27流动类型流动类型流动规律流动规律符合的流体符合的流体备注备注牛顿流体牛顿流体 (为常数)PC和和PVDC接接近近低分子多为此类低分子多为此类宾汉流体宾汉流体 (y 和为常数)牙膏、油漆、牙膏、油漆、凝凝胶糊、良溶剂的胶糊、良溶剂的浓溶液浓溶液在剪切力增大到在剪切力增大到一定值后才能流一定值后才能流动动假塑性流体
20、假塑性流体 n1高固体含量的糊高固体含量的糊剪切增加，粘度剪切增加，粘度升高升高2022-3-27切力变稀流体的流动曲线切力变稀流体的流动曲线观察曲线观察曲线通过曲线看到：粘度对剪切速率的依赖关系通过曲线看到：粘度对剪切速率的依赖关系2022-3-27 假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体分子的结构有关。增加而下降的原因与流体分子的结构有关。 解缠理论：解缠理论： 造成粘度下降的原因在于其中大分子彼造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间的缠结。此之间的缠结。 当缠结的大分子承受应力时，其缠结点当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就会
21、被解开，同时还沿着流动的方向规则就会被解开，同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。排列，因此就降低了粘度。 缠结点被解开和大分子规则排列的程缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。度是随应力的增加而加大的。对对聚聚合合物物熔熔体体来来说说切力变稀原因（假塑性流体）切力变稀原因（假塑性流体）2022-3-27 当它承受应力时，原来由溶剂化作用而当它承受应力时，原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出，这样，粒子或盘绕大分子的有就会被挤出，这样，粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小，从而效直
22、径即随应力的增加而相应地缩小，从而使流体粘度下降。使流体粘度下降。 因为粘度大小与粒子或大分子的平均大因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比，但不一定是线性关系。小成正比，但不一定是线性关系。对对聚聚合合物物溶溶液液来来说说2022-3-27 当悬浮液处于静态时，体系中由固当悬浮液处于静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中流体只能体粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子间小时，流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂，因此，表
23、观粘度不高。充当润滑剂，因此，表观粘度不高。 但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就被破坏，整个体系就显得的紧密堆砌就被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。度就随着剪切速率的增长而增大。 膨膨胀胀性性流流体体的的流流动动行行为为切力变稠原因（膨胀性流体）切力变稠原因（膨胀性流体）2022-3-27流动曲线的实际意义流动曲线的实际意义2022-3-27加工方法加工方法剪切速率剪切速率/S-1模压模压110开炼开
24、炼5101 5102密炼密炼5102 5103挤出挤出101 103压延压延5101 5102纺丝纺丝102 104注射注射103 105各种加工方法中的剪切速率各种加工方法中的剪切速率2022-3-27 当液体的弹性不可忽略时，其应变还表当液体的弹性不可忽略时，其应变还表现出滞后效应，即在液体中增加应力与降低应现出滞后效应，即在液体中增加应力与降低应力这两个过程的应变曲线不重合。力这两个过程的应变曲线不重合。 某些聚合物（如聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲某些聚合物（如聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等）的粘性流动中，弹性行为是不能忽略的，酯等）的粘性流动中，弹性行为是不能忽略的，称为粘弹性液体。称为粘弹性液
25、体。 这类液体在受到外力作用时，其非牛顿这类液体在受到外力作用时，其非牛顿性是粘性和弹性行为的综合，即流动过程中包性是粘性和弹性行为的综合，即流动过程中包含有不可逆形变含有不可逆形变( (粘性流动粘性流动) )和可逆形变（弹性和可逆形变（弹性回复）两种成分。回复）两种成分。粘粘弹弹性性液液体体2022-3-27 产生震凝性的原因，可以解释为液体中产生震凝性的原因，可以解释为液体中的不对称粒子（椭球形线团）在剪切力场的的不对称粒子（椭球形线团）在剪切力场的速度作用下取向排列形成暂时次价交联点所速度作用下取向排列形成暂时次价交联点所致，这种缔合使粘度不断增加而形成凝胶状，致，这种缔合使粘度不断增加
26、而形成凝胶状，一旦外力作用终止，暂时交联点也相应消失，一旦外力作用终止，暂时交联点也相应消失，粘度重新降低。粘度重新降低。震震凝凝性性液液体体2022-3-27 一般认为，产生触变行为是因为液体静置一般认为，产生触变行为是因为液体静置时聚合物粒子间形成了一种类似凝胶的非永久时聚合物粒子间形成了一种类似凝胶的非永久性的次价交联点，表现出很大粘度。性的次价交联点，表现出很大粘度。 当系统受到外力作用而破坏这一暂时交联点当系统受到外力作用而破坏这一暂时交联点时，粘度即随着剪切持续时间而下降。时，粘度即随着剪切持续时间而下降。 在聚合物成型中，只有少数聚合物的溶液或在聚合物成型中，只有少数聚合物的溶液
27、或悬浮液属触变性液体，涂料、油墨等具有这种悬浮液属触变性液体，涂料、油墨等具有这种性质。性质。 触触变变性性液液体体2022-3-27聚合物在具有截面积逐渐变小聚合物在具有截面积逐渐变小的锥形管或其它管中的收敛流的锥形管或其它管中的收敛流动，这种流动不仅受到剪切作动，这种流动不仅受到剪切作用，而且还受到拉伸作用用，而且还受到拉伸作用当粘弹性聚合物流体从任何当粘弹性聚合物流体从任何形式的管道中流出受外力拉形式的管道中流出受外力拉伸时也能产生拉伸流动。伸时也能产生拉伸流动。拟制性拉伸拟制性拉伸(收敛流动收敛流动)非拟制性拉非拟制性拉伸伸(拉伸流拉伸流动动)2022-3-27 在拉伸作用下，聚合物流
28、体会产生很大的拉伸应在拉伸作用下，聚合物流体会产生很大的拉伸应变，和剪切粘度的形式类似，我们用拉伸粘度来表示变，和剪切粘度的形式类似，我们用拉伸粘度来表示流体对拉伸流动的阻力：流体对拉伸流动的阻力：2022-3-27 在低应变或低应力下，拉伸粘度是不依赖应力在低应变或低应力下，拉伸粘度是不依赖应力或应变速率的（或应变速率的（P52），在高应变或高应力下，拉），在高应变或高应力下，拉伸粘度会出现两种不同的结果：伸粘度会出现两种不同的结果：（1）拉伸变稀，原因是分子链缠结浓度的降低。拉伸变稀，原因是分子链缠结浓度的降低。（2）拉伸变硬：例如）拉伸变硬：例如 PS、LDPE。原因是大分子。原因是大分
29、子链的取向伸直、平行排列的分子较无序排列的分子链的取向伸直、平行排列的分子较无序排列的分子更具有更强的抗拉伸性。更具有更强的抗拉伸性。 拉伸粘度的影响因素拉伸粘度的影响因素2022-3-27 因为拉伸粘度随着应力或应变速率而增大，因为拉伸粘度随着应力或应变速率而增大，则增大的粘度将使成型中制品的薄弱成分或应力则增大的粘度将使成型中制品的薄弱成分或应力集中区域不至于在张应力的作用下产生破坏，从集中区域不至于在张应力的作用下产生破坏，从而能获得形变均匀的产品。而能获得形变均匀的产品。 聚合物拉伸流动过程粘度增大的特性在很大聚合物拉伸流动过程粘度增大的特性在很大程度上决定了聚合物能在恒温条件下纺丝或
30、成膜。程度上决定了聚合物能在恒温条件下纺丝或成膜。这一特性，对纤维纺丝、吹塑这一特性，对纤维纺丝、吹塑薄膜、拉伸薄膜、片材的热成薄膜、拉伸薄膜、片材的热成型等十分有利型等十分有利2022-3-27（1）聚合物加工既有剪切流动又有拉伸流动，）聚合物加工既有剪切流动又有拉伸流动，也有特殊的剪切流动也有特殊的剪切流动-拖曳流动。拖曳流动。（2）可以推出聚合物流体在不同形状流道中）可以推出聚合物流体在不同形状流道中的流动方程，从而计算剪切应力和剪切速率，的流动方程，从而计算剪切应力和剪切速率，得到流动曲线。得到流动曲线。 例如：例如：P39，聚合物流体在圆管中、在狭缝通，聚合物流体在圆管中、在狭缝通道
31、中的流动道中的流动2022-3-27影响粘度的主要因素影响粘度的主要因素 在给定剪切速率下，聚合物的粘度主要取决于在给定剪切速率下，聚合物的粘度主要取决于实现实现分子位移和链段协同跃迁的能力分子位移和链段协同跃迁的能力以及在以及在跃迁链段的周围跃迁链段的周围是否有可以接纳它跃入的空间是否有可以接纳它跃入的空间（自由体积）两个因素。（自由体积）两个因素。 凡能引起链段跃迁能力和自由体积增加的因素，都凡能引起链段跃迁能力和自由体积增加的因素，都能导致聚合物熔体粘度下降：能导致聚合物熔体粘度下降： 除前面剪切应力和剪切速率外，还有温度、压力等除前面剪切应力和剪切速率外，还有温度、压力等外在因素以及材
32、料的内在因素（如链结构和链的极性、外在因素以及材料的内在因素（如链结构和链的极性、相对分子质量分布及聚合物的组成等）。相对分子质量分布及聚合物的组成等）。粘度：液层单位表面上所加的剪切力与液层间的粘度：液层单位表面上所加的剪切力与液层间的速度梯度（剪切速率）的比值，速度梯度（剪切速率）的比值，粘度是液体自身所固有的性质粘度是液体自身所固有的性质，它的大小表征液体，它的大小表征液体抵抗外力引起流动变形的能力。抵抗外力引起流动变形的能力。2022-3-27RTEA/lnln)(6 .51)(44.17loglogggTTTTgt温度对剪切粘度的影响温度对剪切粘度的影响 聚合物的成型加工，多处于粘流
33、温度至分解温聚合物的成型加工，多处于粘流温度至分解温度之间，在这一较窄的温度区间内粘度与温度的关度之间，在这一较窄的温度区间内粘度与温度的关系可用系可用Arnhenius方程来表示：方程来表示： 当温度区间在当温度区间在TgT Tg + 100时，聚合物粘时，聚合物粘度与温度的关系可以用半经验（度与温度的关系可以用半经验（WLF）公式表示：）公式表示：2022-3-27原因来自熔体的可压缩性。利用自由体积来解释。原因来自熔体的可压缩性。利用自由体积来解释。压力对剪切粘度的影响压力对剪切粘度的影响 因为在加压时，聚合物的自由体积减小，熔体因为在加压时，聚合物的自由体积减小，熔体分子间的自由体积也
34、减小，使分子间作用力增大，分子间的自由体积也减小，使分子间作用力增大，最后导致熔体剪切粘度增大。最后导致熔体剪切粘度增大。 与低分子液体相比，聚合物因其长链大分子形状与低分子液体相比，聚合物因其长链大分子形状复杂，分子链堆砌密度较低，受到压力作用时，体复杂，分子链堆砌密度较低，受到压力作用时，体积变化较大。积变化较大。 聚合物熔体成型压力通常都比较高，例如注射成型聚合物熔体成型压力通常都比较高，例如注射成型时，聚合物在时，聚合物在150下受压达下受压达350kPa到到3000kPa，其压缩，其压缩性是很可观的。性是很可观的。 在在100kPa的压力下各种聚合物的压缩率不超过的压力下各种聚合物的
35、压缩率不超过1，而当压力增至而当压力增至700kPa时，压缩率可高达时，压缩率可高达35个数量级。个数量级。2022-3-271-聚甲基丙烯酸甲酯；聚甲基丙烯酸甲酯；2-聚苯乙烯；聚苯乙烯；3-高密度聚乙烯；高密度聚乙烯；4-醋酸纤维素醋酸纤维素 2022-3-27粘度对剪切应力粘度对剪切应力(或剪切速率或剪切速率)的依赖性的依赖性 在成型条件下，聚合物熔体多属非牛顿液体，在成型条件下，聚合物熔体多属非牛顿液体，其粘度随着剪切应力其粘度随着剪切应力( (或剪切速率或剪切速率) )的增加而降低，但的增加而降低，但是各种聚合物降低的程度不同。是各种聚合物降低的程度不同。 在聚合物成型中，为了改善的
36、流动性，分别采用在聚合物成型中，为了改善的流动性，分别采用调整剪切速率和温度的方法来改善对剪切速率和温度调整剪切速率和温度的方法来改善对剪切速率和温度敏感的聚合物的粘度。敏感的聚合物的粘度。 但应指出，粘度对剪切速率但应指出，粘度对剪切速率( (或温度或温度) )敏感的聚敏感的聚合物，往往会在剪切速率合物，往往会在剪切速率( (或温度或温度) )波动时，造成制波动时，造成制品质量上有显著差别。品质量上有显著差别。 2022-3-27粘度随时间的变化粘度随时间的变化 聚合物完成熔融过程以后，流变性质应不随时聚合物完成熔融过程以后，流变性质应不随时间而改变。间而改变。 但实际上，许多聚合物的粘度均
37、随时间而逐渐但实际上，许多聚合物的粘度均随时间而逐渐变化。变化。 引起这种变化的原因，其中有工艺的如加聚类引起这种变化的原因，其中有工艺的如加聚类聚合物的热降解和热氧化降解，缩聚类聚合物与低聚合物的热降解和热氧化降解，缩聚类聚合物与低分子杂质分子杂质( (如水如水) )之间的交联反应所造成的降解反应之间的交联反应所造成的降解反应等。等。 因此，在成型过程中聚合物熔体处于注射喷嘴、因此，在成型过程中聚合物熔体处于注射喷嘴、挤出口模或喷丝头高温区域的时间应尽可能缩短。挤出口模或喷丝头高温区域的时间应尽可能缩短。2022-3-27聚合物的分子结构对粘度的影响聚合物的分子结构对粘度的影响 聚合物的柔顺
38、性：聚合物的柔顺性： 聚合物分子链的刚性及分子间相互作用力愈大，其聚合物分子链的刚性及分子间相互作用力愈大，其粘度也愈高，且对温度的敏感性也愈大。粘度也愈高，且对温度的敏感性也愈大。 反之，分子反之，分子链的柔性愈大，缠结点愈多，链的解缠和滑移愈困难，链的柔性愈大，缠结点愈多，链的解缠和滑移愈困难，其粘度对剪切应力愈敏感。其粘度对剪切应力愈敏感。2022-3-27支链：支链： 短支链对聚合物粘度的影响不大。当相对分子质量短支链对聚合物粘度的影响不大。当相对分子质量相同时，支链短而数目多，会使分子间距离增大，分子相同时，支链短而数目多，会使分子间距离增大，分子间作用力减小，且自由体积增大，故粘度
39、小。间作用力减小，且自由体积增大，故粘度小。 长支链对粘度的影响非常显著。当支链对分子质量长支链对粘度的影响非常显著。当支链对分子质量大于某大于某-临界值临界值Mc三倍后，支链上的缠结点增多，其粘三倍后，支链上的缠结点增多，其粘度比直链的粘度高出度比直链的粘度高出10-100倍。倍。 与无支链的同一聚合物相比，有支链的聚合物粘度与无支链的同一聚合物相比，有支链的聚合物粘度对剪切速率敏感性要大。当支链中含有大量侧基时，聚对剪切速率敏感性要大。当支链中含有大量侧基时，聚合物的自由体积增大，粘度对温度和压力的敏感性也都合物的自由体积增大，粘度对温度和压力的敏感性也都增大。增大。2022-3-27 原
40、因原因HDPE是线形聚合物，是线形聚合物，LDPE则是支化聚合则是支化聚合物。按照物。按照Buche理论，支化聚合物分子的粘度比相同理论，支化聚合物分子的粘度比相同分子量的线形分子的粘度要小些。但是如果支链很分子量的线形分子的粘度要小些。但是如果支链很长以致支链本身就能产生缠结，会使流动复杂化，长以致支链本身就能产生缠结，会使流动复杂化，粘度可高可低。粘度可高可低。 熔 体 指 数熔 体 指 数相近的两种聚相近的两种聚乙烯在流动性乙烯在流动性上差异很大：上差异很大： 在较高剪切速在较高剪切速率下，率下，LDPE的的粘度比粘度比HDPE低。低。2022-3-27相对分子质量对粘度的影响相对分子质
41、量对粘度的影响 随着相对分子质量的增大，不同链段偶然位移随着相对分子质量的增大，不同链段偶然位移相互抵消的机会就多，因而分子链重心位移就愈困相互抵消的机会就多，因而分子链重心位移就愈困难，粘度也就愈高。难，粘度也就愈高。 同时也要考虑相对分子质量分布对粘度的影响。同时也要考虑相对分子质量分布对粘度的影响。 总之，成型时对聚合物相对分子质量的选择，总之，成型时对聚合物相对分子质量的选择，由于存在着加工所需要的流动性与制品的物理力学由于存在着加工所需要的流动性与制品的物理力学性能之间的矛盾。因此，针对不同用途和不同加工性能之间的矛盾。因此，针对不同用途和不同加工方法，选择适当相对分子质量的聚合物是
42、十分重要方法，选择适当相对分子质量的聚合物是十分重要的。在塑料成型时，其相对分子质量一般控制在纤的。在塑料成型时，其相对分子质量一般控制在纤维和橡胶之间。维和橡胶之间。2022-3-27其他添加剂对聚合物粘度的影响其他添加剂对聚合物粘度的影响 在聚合物成型时，由于加工和使用性能的需要，在聚合物成型时，由于加工和使用性能的需要，常在主体聚合物中加入一些添加剂，这些添加剂将不常在主体聚合物中加入一些添加剂，这些添加剂将不同程度上影响聚合物的粘度。当加入填料、色料、稳同程度上影响聚合物的粘度。当加入填料、色料、稳定剂等固体物质时，会使聚合物的粘度增大。定剂等固体物质时，会使聚合物的粘度增大。 另一类
43、添加剂是为了配制溶液或分散体而加入聚另一类添加剂是为了配制溶液或分散体而加入聚合物中的溶剂或增塑剂等液体物质。它们的加入能削合物中的溶剂或增塑剂等液体物质。它们的加入能削弱聚合物分子间的作用力，使体系的粘度降低。弱聚合物分子间的作用力，使体系的粘度降低。2022-3-27值得提出的是，当添加碳黑等固体物质作流动实值得提出的是，当添加碳黑等固体物质作流动实验时，曾发现由于剪切而产生验时，曾发现由于剪切而产生“剪切诱导结晶剪切诱导结晶” 和和“应力突增应力突增”现象。现象。 可解释为：由于固体添加剂的存在，增加了分子可解释为：由于固体添加剂的存在，增加了分子链与颗粒界面的摩擦，阻止取向分子链回缩成
44、为链与颗粒界面的摩擦，阻止取向分子链回缩成为无规线团，降低了松弛速度，在较高的剪切速率无规线团，降低了松弛速度，在较高的剪切速率和较低的加工温度下，分子链规整排列而结晶，和较低的加工温度下，分子链规整排列而结晶，部分大分子链被束缚在晶区中，限制了它的运动，部分大分子链被束缚在晶区中，限制了它的运动，所以粘度剧增。这种现象在注射成型时应予注意。所以粘度剧增。这种现象在注射成型时应予注意。2022-3-27热固性树脂粘度的影响因素热固性树脂粘度的影响因素 热塑性树脂的粘度在成型条件下，甚至交替热塑性树脂的粘度在成型条件下，甚至交替经过加热和冷却过程，均发生可逆的变化，除降解经过加热和冷却过程，均发
45、生可逆的变化，除降解或局部交联外，基本上属于一种形态转化的物理过或局部交联外，基本上属于一种形态转化的物理过程。程。 而热固性聚合物则相反：在成型过程中既有物而热固性聚合物则相反：在成型过程中既有物理变化，又有化学交联作用，物料一经固化后，粘理变化，又有化学交联作用，物料一经固化后，粘度变为无穷大，具有不可逆性。因此，粘度反映了度变为无穷大，具有不可逆性。因此，粘度反映了热固性聚合物的固化程度。热固性聚合物的固化程度。 热固性聚合物的粘度，除了受本身分子结构影热固性聚合物的粘度，除了受本身分子结构影响外，还受剪切速率、温度和固化时间的影响。响外，还受剪切速率、温度和固化时间的影响。2022-3
46、-27 聚合物流体在流动过程中，不仅有剪切流动，而聚合物流体在流动过程中，不仅有剪切流动，而且存在拉伸流动。且存在拉伸流动。 由于流动中的拉伸力，使聚合物分子产生由于流动中的拉伸力，使聚合物分子产生弹性变弹性变形形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。 2022-3-27例例 子子可回复形变可回复形变由于粘性流动产生的形变由于粘性流动产生的形变时间时间维持恒定形变维持恒定形变外加形变外加形变同轴圆筒粘度计中，高聚物熔体的可回复形变与流动示意图同轴圆筒粘度计中，高聚物熔体的可回复形变与流动示意图 高聚物熔体在流动时所发生的形变由两部分组成，一
47、是高聚物熔体在流动时所发生的形变由两部分组成，一是可回复性形变，二是由粘性流动产生的形变，其中前者所可回复性形变，二是由粘性流动产生的形变，其中前者所占的比例较大。占的比例较大。2022-3-27 弹性形变恢复时会产生弹性行为。这种弹性行弹性形变恢复时会产生弹性行为。这种弹性行为对聚合物的加工与成型的影响比较大。为对聚合物的加工与成型的影响比较大。 聚合物流体流动过程中的弹性可以从很多现象聚合物流体流动过程中的弹性可以从很多现象观察到。观察到。 例如：液流的弹性回缩；聚合物流体的蠕变松例如：液流的弹性回缩；聚合物流体的蠕变松弛；孔口胀大效应；弛；孔口胀大效应；爬杆效应爬杆效应（Weissenb
48、erg）；剩）；剩余压力现象等，但是最主要的弹性行为是余压力现象等，但是最主要的弹性行为是端末效应端末效应和不稳定流动。和不稳定流动。2022-3-27爬杆效应爬杆效应 低分子液体低分子液体 高聚物熔体或溶液高聚物熔体或溶液在搅动过程中：在搅动过程中：低分子液体的液面低分子液体的液面中间低，四周高；中间低，四周高；而高聚物熔体或溶而高聚物熔体或溶液却是中间高，而液却是中间高，而四周低。四周低。可以用法向应力来解释可以用法向应力来解释2022-3-27 是指聚合物流体（包括熔体和液体）在管子进口是指聚合物流体（包括熔体和液体）在管子进口端和出口端的由于弹性效应而出现的端和出口端的由于弹性效应而出
49、现的，也可以分别称为入口效应和模口膨，也可以分别称为入口效应和模口膨化效应（离模膨胀），也称为巴拉斯效应。化效应（离模膨胀），也称为巴拉斯效应。一、端末效应一、端末效应2022-3-27聚合物在毛细管入口和出口区域的流动聚合物在毛细管入口和出口区域的流动2022-3-27 由于弹性效应而在管子的进口端的一定区域内由于弹性效应而在管子的进口端的一定区域内产生压力下降的现象。产生压力下降的现象。入口效应入口效应2022-3-27 （1）当液体从大管进入小管，形成收敛流动。）当液体从大管进入小管，形成收敛流动。为了保证恒定的流率，在小管中液体的流速会增为了保证恒定的流率，在小管中液体的流速会增加。如
50、果管壁上流速仍然为零，那么管子内液体加。如果管壁上流速仍然为零，那么管子内液体的剪切速率必须增大才能满足速度调整的要求，的剪切速率必须增大才能满足速度调整的要求，所以必须要消耗能量才能相应提高剪应力和压力所以必须要消耗能量才能相应提高剪应力和压力梯度。梯度。（2）剪切速率增大会使聚合物大分子产生更快更）剪切速率增大会使聚合物大分子产生更快更大的变形，而大的变形，而具有高弹形变的大分子发生变形要具有高弹形变的大分子发生变形要克服分子内及分子间的作用力，要消耗能量。克服分子内及分子间的作用力，要消耗能量。入口效应的原因：入口效应的原因：2022-3-27 从上述两个原因看，聚合物流体，特别是聚合物
