1、第二章第二章 高分子成形流变学基础高分子成形流变学基础2022-11-161|2.1 2.1 高分子成形的流动特征高分子成形的流动特征|2.2 2.2 高分子成形的剪切流动高分子成形的剪切流动|2.3 2.3 高分子成形的拉伸流动高分子成形的拉伸流动|2.4 2.4 高分子成形的流动分析高分子成形的流动分析|2.5 2.5 高分子成形的流体弹性高分子成形的流体弹性|2.6 2.6 高分子流变性能的测定高分子流变性能的测定2022-11-1622.1 2.1 高分子成形的流动特征高分子成形的流动特征n 高分子流体成形过程的流变行为十分复杂流变行为十分复杂：黏性和弹性的复杂组合n流动过程黏性阻力，
2、热效应，温度变化；流体结构甚至有时间相关性n 流动变形影响因素影响因素：温度、压力、流动状态、应力方式、分子结构和组织结构等3一、层流和湍流一、层流和湍流n 两种流动状态流动状态：层流和湍流 层流状态时流体质点无横向迁移和窜流 湍流时流体质点存在明显的横向迁移和窜流，流动中存在强烈流体混合n 高分子成形成形过程中流体流动流动一般都为层流都为层流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4二、稳态流动和非稳态流动二、稳态流动和非稳态流动u稳态流动稳态流动：流道任何部位的流速、物理状态均不随时间而变化，但是各部位不一定相同，比如挤出机的正常操作过程u非稳态流动非稳态流动：流
3、动状况随时间而变化，比如熔体充模过程5三、剪切流动和拉伸流动三、剪切流动和拉伸流动n 成形流动流动两种主要类型类型：剪切流动和拉伸流动 剪切流动剪切流动：流体受到剪切应力作用产生的流动，挤出机、注射机和口模等的流动 拉伸流动拉伸流动：纺丝细流离开喷丝孔处时受拉伸和流体在截面积变化流道中的流动等n 实际成形过程实际成形过程：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，实际流动往往是二者或多者的组合6n（按流动边界条件分）剪切流动：拖曳流动和压力流动 拖曳流动拖曳流动：由边界运动而产生的流动，如运转辊筒表面流体的流动 压力流动压力流动：边界固定，外加压力作用于流体而产生的流动。浇铸流
4、道和挤出流道7四、一维流动、二维流动和三维流动四、一维流动、二维流动和三维流动n 一维流动一维流动：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n 二维流动二维流动：流道内各质点的速度需要用两个垂直于流动方向的坐标来表示 比如流体在矩形或椭圆形截面流道中流动8三维流动三维流动：质点速度沿截面的纵横两个方向和主流动方向都在变化 比如流体在锥形或收缩形的矩形体管道中的收敛流动有的二维流动可近似按一维流动处理处理：平行板狭缝流道和间隙很小圆环形流道9五、等温流动和非等温流动五、等温流动和非等温流动n 等温流动等温流动：指流体各处的温度均相等且保持不变的流动 等温流动情况下流体与外界可以热
5、交换，但传入和输出的热量相等n 实际成形的流动一般在流道径向和轴向都存在温度梯度，为非等温流动非等温流动10 原因原因：流道各区域有意控温；流动时径向黏性摩擦生热效应差异；流动压力降以至膨胀产生冷却效应，径向膨胀冷却效应差异不同n 本章主要讨论本章主要讨论流体在等温稳态层流时行为表现112.2 2.2 高分子成形的剪切流动高分子成形的剪切流动l流体流变性质的主要表现：黏度黏度l成形流变学成形流变学最重要的内容：流体的黏度及其变化规律l流体类型流体类型：牛顿型流体和非牛顿型流体流动行为相应分别为牛顿型流动和非牛顿型流动l流动曲线流动曲线：剪应力（或剪切粘度）与剪切应变速率之间关系的曲线12|2.
6、2.1 2.2.1 牛顿流体及其流动牛顿流体及其流动|2.2.2 2.2.2 非牛顿流体及其流动非牛顿流体及其流动|2.2.3 2.2.3 剪切流动的影响因素剪切流动的影响因素2022-11-16132.2.1 2.2.1 牛顿流体及其流动牛顿流体及其流动n 速度梯度速度梯度：n 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 ：dtdrdxddrdtdxddrdv)/()/(/dx dr/dx drdvddrdt14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 15l 著名
7、牛顿粘性定律方程牛顿粘性定律方程：l 所有非聚合态流体（如低分子有机物和水等）都属于牛顿流体l 牛顿流体特征牛顿流体特征：牛顿粘度 是一常数，不随剪切速率 而变化 牛顿流体曲线 是通过直角坐标系原点的直线，斜率即是 牛顿流体的应变具有不可逆性，是纯粘性流动162.2.2 2.2.2 非牛顿流体及其流动非牛顿流体及其流动n 非牛顿型流体黏度黏度 ：剪应力或剪切速率依赖性n 类型类型：黏性流体、黏弹性流体和时间依赖性流体n 黏性流体应变都是不可逆，黏弹性流体部分应变可逆n 黏弹性流体黏弹性流体：常先作黏性流体处理然后根据弹性进行修正，可简化流动分析计算n 黏性流体和黏弹性流体类型类型：假塑性流体、
8、胀塑性流体和宾汉流体n 时间依赖性流体时间依赖性流体：触变性流体和震凝性流体a17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0324118一、黏性流体一、黏性流体1 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19n 宽剪切速率范围流变行为三区域流变行为三区域：第一牛顿区、非牛顿区和第二牛顿区 低剪切速率时为牛顿流体，黏度为零切黏度零切黏度 中等剪切速率范围为假塑性流体，
9、黏度常采用表观表观黏度黏度 剪切速率很高时再次为牛顿流体，黏度称为极限黏极限黏度度n 流动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0a200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)lglga21n 分子链间相互缠结或范德华力相互作用形成链间瞬链间瞬态物理交联动态平衡态物理交联动态平衡n低剪切速率区低剪切速率区：剪切导致的物理交联点破坏很少，能够为热运动及时重建n剪切速率逐渐增加到一定值后一定值后：物理交联点被破坏的速度大于重建的速度n剪切速率很高剪切速率很高：物理交联点的破坏完全来不及重建时，黏度降到最小值22表表2.1 2.1 部分成形工艺的剪切速率范
10、部分成形工艺的剪切速率范围围成形工艺 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232 2胀塑性流体胀塑性流体n 流变特征流变特征：黏度随剪切速率或剪应力增大而升高，因此常称为剪切增稠流体 例例：聚氯乙烯糊和高填料含量聚合物流体等悬浮体n 剪切增稠原因原因（多种）通常通常：n 剪切速率不大剪切速率不大：流体起润滑剂作用，悬浮体大致保持原有堆砌密度沿移动n 剪切速率逐渐增大剪切速率逐渐增大：颗粒碰撞机会增多，流动阻力增大；颗粒不能再保持静态时紧密堆砌，流体不能再充满增空隙，
11、润滑作用减小，阻力增大243 3宾汉流体宾汉流体n 宾汉流体宾汉流体：剪应力低于 时流体类似于固体；时流体才流动n 原因原因（一般认为）：静态下组成该流体系统的基团、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，形成了三维立体拟网络结构n 实例实例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸钙填充PP），非线性宾汉流体yy254 4幂律方程幂律方程n 幂律方程幂律方程（或称指数定律方程）：幂律流体幂律流体 n 称流体稠度，值越大，流体黏稠性越大n 称为流动指数（也称非牛顿指数），值离数值1越远，则非牛顿性越突出 nKKnnK26l=1（牛顿流体）；1（假塑性流体）；1（胀塑性流体）l
12、和和 与温度有关与温度有关：随温度增加而减小，随温度升高而增大nnnnKlglglgKnKnlg/lgndd27l 和和 随随 变化变化：值范围在有限范围（如1个数量级）时可把 和 看作常数l对于假塑性流体：随 的增大而增大 随 的增大而减小。F需要说明需要说明：有些黏性流体不完全服从幂律方程，流动规律更复杂nKKnKn28n 宾汉流体流变方程宾汉流体流变方程：n =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（或叫稠度）：na/a 1naKc/cddnnyK29二、时间依赖性流体二、时间依赖性流体n 触变性流体触变性流体：表观黏度随剪切持续作用时间
13、（即黏性流动时间）的增长而降低n 震凝性流体震凝性流体：流体表观黏度随剪切持续作用时间的增加而逐渐增大n触变性流体较常见，震凝性流体很少遇到n原因分析原因分析：流动的时间依赖性行为可以用三维网络结构理论予以解释30 触变性流体原因原因：静止时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缔合网络结构，剪切力作用下网络结构会逐渐被破坏直至平衡。因此，表观黏度随剪切力增加而逐渐减小，并随应力作用时间增加而逐渐趋于某一平衡值 震凝性流体原因原因：流体中存在不对称的粒子（如椭球形线团或团粒），在剪切力场作用下剪切力场作用下逐渐取向排列形成暂时次价交联的缔合网络结构缔合网络结构31n 时
14、间依赖性流体的流变特征流变特征：（1）黏度变化可逆（2）剪切速率一定时出现应力松弛，剪应力逐渐从最大（或小）变化至平衡值（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实用意义实用意义：如涂料具有触变性，可避免或减少流挂现象32图2.5 三种材料 的滞后环332.2.3 2.2.3 剪切流动的影响因素剪切流动的影响因素一、温度一、温度n温度升高，流体体积越大，分子间引力越小，流体表现的黏度越小nAndradeAndrade公式公式：n聚合物熔体黏流活化能一般1.0200.0KJ/moln 直接反映流体黏度的温度依赖性温度依赖性：值越大，对温度越敏感n温敏差异温敏差异：柔性
15、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RTEAe/EE2022-11-1634图2.6 聚合物熔体黏度对温度的依赖性HDPE高密度聚乙烯 PC聚碳酸酯PS聚苯乙烯 PSF聚砜35二、压力二、压力n高分子流体可压缩流体可压缩：熔体在110MPa压力下成形时体积压缩量小于1%n注射成形时注射压力有时高达100MPa，体积压缩非常明显n体积压缩体积压缩引起自由体积减少，分子间距缩小，分子间作用力增加，流体黏度增加流体黏度增加n压力温度等效性压力温度等效性：恒压下改变温度和恒温下改变压力可以获得等效黏度变化 压力温度等效性可用换算因子 来衡量/TP2022-11-1636三、剪切速率三、
16、剪切速率n剪切速率敏感性差异差异：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 对剪切速率敏感的聚合物可采用增大剪切速率的方法增加流动性 对于薄型和复杂结构制品可克服充模不足的问题n确定剪切速率参数确定剪切速率参数：在成形工艺可选择范围内选择黏度对 不敏感的剪切速率2022-11-1637图2.7 高分子流体的曲线38四、分子结构与参数四、分子结构与参数1 1分子结构分子结构n分子间作用力越大，流体的黏度越大n分子极性分子极性n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2022-11-1639n支化支化短支链使分子堆砌密度下降，支链较短时
17、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2022-11-16402 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，流动性差，黏度高nFox-FloryFox-Flory公式公式：小于 时，=1.01.8；当 大于 时，=3.43.5n非牛顿性非牛顿性：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wMK0wMcMwMwMcM2022-11-16413 3分子量分布分子量分布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原
18、因原因：分子量分布宽则含有分子量很大的部分且含量多n意义意义：分子量分布宽聚合物更容易挤出或注射成形（较高剪切速率的黏度较低）2022-11-1642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43五、组成五、组成n固体添加剂固体添加剂（如填料）都会使体系的黏度增大，流动性降低n流体添加剂流体添加剂（如增塑剂）往往使分子距离增大，流动性增大n高分子溶液黏度溶液黏度随着溶液浓度增大而增大，并且增加的幅度不断增大2022-11-1644六、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新方法 聚合物电磁式动态塑化挤出成
19、形和电磁式动态注射成形n直接物理场（如机械和超声波振动）使受力状态由组合应力决定n组合应力组合应力：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化等，从而改善成形性能和制品质量2022-11-1645u高分子材料成形过程中常遇到流动行为与剪切流动不同的拉伸流动u拉伸流动的实验研究比较困难，有些问题尚不十分清楚2.3.1 2.3.1 拉伸流动情形拉伸流动情形2.3.2 2.3.2 拉伸流变特性拉伸流变特性2022-11-16462.3.1 2.3.1 拉伸流动情形拉伸流动情形n收敛流动收敛流动：流体在沿流动方向截面变小的流道中流动（或黏弹性流体从流道中流出时
20、受到拉伸的流动），流体各部分流线不再相互平行n流线收敛角流线收敛角 ：流体将改变原有的流动方向以一自然锥角2 向小管流动2022-11-1647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48n收缩型流道收缩型流道：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最常见最常见收缩型流道：圆锥体形流道和楔形流道F挤出管材口模和注射模具常采用圆锥体形流道F挤出板材、片材、流涎薄膜口模常用楔形流道收敛型流道作用作用：可以避免死角降低总压力降减少流动缺陷（如弹性缺陷）通常通常情况下小于102022-11-1649图2.10 挤出
21、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ZAZB50n收敛流动类型收敛流动类型：抑制性拉伸流动和非抑制性拉伸流动抑制性拉伸流动抑制性拉伸流动：在收缩流道中流体的收敛流动F径向和轴向都存在速度梯度，剪切流动和拉伸流动的复合非抑制性拉伸流动非抑制性拉伸流动：流体从流道中挤出并受外力牵引拉伸的流动F纯拉伸流动，仅在轴向方向存在速度梯度F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动2022-11-16512.3.2 2.3.2 拉伸流变特性拉伸流变特性n（根据应力方式）拉伸流动类型拉伸流动类型：单轴拉伸和双轴拉伸n收敛流道和挤出纺丝的流动过程属单轴拉伸n薄膜、薄型片材和
22、压延等工艺有单轴拉伸流动和双轴拉伸流动两种方式一、拉伸流动的流变方程LLLLLLldld000ln2022-11-1652n拉伸流变方程拉伸流变方程：n拉伸应变速率可用拉伸速度梯度表示dtdLLdtd1dtdLLdzdvzdzdvz2022-11-1653二、拉伸黏度的影响因素二、拉伸黏度的影响因素1.1.温度温度n拉伸黏度 随温度的升高而降低2.2.拉伸应变速率拉伸应变速率n低低 或或 范围范围：通常不变，牛顿流体行为（单轴拉伸时 ）032022-11-1654 几乎与拉伸应力无关与拉伸应力无关（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）“拉伸硬化拉伸硬化”
23、或“拉伸变稠”：拉伸应力约增至剪切黏度开始下降的应力值后拉伸黏度增加（如低密度聚乙烯、聚异丁烯及聚苯乙烯等）“拉伸变稀拉伸变稀”：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 ，拉伸黏度变化分为3 3种类型种类型2022-11-1655参比应力参比应力图2.11 拉伸黏度与分子结构、拉伸应力间关系56需要注意需要注意：有的流体表现出较复杂拉伸流动行为（如6.44%聚丁二烯萘烷溶液先拉伸变稀、后拉伸变稠）F 或或 很高很高：拉伸流动又表现为牛顿流体行为“拉伸变稠”特性重要意义重要意义：对化学纤维拉伸、吹塑薄膜、流涎薄膜（片）等
24、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速率将增大，该细化部位抵抗继续拉伸的能力提高，不致拉断）2022-11-16573.3.填料填料n填料及其形状、用量填料及其形状、用量对流体的拉伸黏度会产生影响 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 长纤维作填料则用量很低（如1v%），拉伸黏度比剪黏大几百倍4.4.流体静压力流体静压力n流体静压力增加，拉伸黏度增大2022-11-16582.4 2.4 高分子成形的流动分析高分子成形的流动分析n成形设备和模具各异，基本截面基本截面：圆形、环形、狭缝形、矩形、梯形及椭圆形等n极端截面形状极端截面形状
25、：圆形和狭缝形流道两种n设备流道和型腔的流动分析意义意义：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提供依据n流动分析极其困难极其困难：流体在管隙中的流动十分复杂，影响因素很多59n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讨论n假设包括假设包括：流体不可压缩；流道壁处流体无滑移，即流道壁流体流速为零；流体黏度不随时间而变化；入口和出口效应可忽略n实际稳态层流流动实际稳态层流流动不完全符合假设：如流道壁滑移、流道各处温度不均匀性、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情况比较接近60|2.4.1 2.4.1 基本方程
26、的推导基本方程的推导|2.4.2 2.4.2 基本方程的讨论基本方程的讨论|2.4.3 2.4.3 流动的非等温现象流动的非等温现象2022-11-16612.4.1 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n流体在等径圆管流道中的流动是一维流动一维流动n半径 、长度 的等径圆管流道，半径 、长度 的流体微液柱体元受力n稳态层流稳态层流RLrdl0321FFFF02)(22dlrPPrPrr621.什么是传统机械按键设计？传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。传统机械按键设计要点：1.合理的选择按键的类型，尽量选择平头
27、类的按键，以防按键下陷。2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议留0.050.1mm，以防按键死键。3.要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。传统机械按键结构层图：按键开关键PCBA(a)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动分析64n 为压力梯度，稳态流动中与圆管全长范围内压力降 相同 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dlPrr2/Pdl/P LLPrr2rrr0rRwLPRw265 二、流速分布二、流速分布n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：nzn
28、rdrdvKKLPr)(2drrKLPdvnnz11)2(rRdrnnnnnrRrRKLPnnv111)(1)2(166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：rRwvr0vnnnoRKLPnnvv11max)2(1nnorRrvv1)(167 三、体积流率计算三、体积流率计算n等径圆管中流动的等速线为同心圆，体积流率分析微区面元图分析：n积分和整理得幂律流体体积流量方程体积流量方程：2rdQrdr vnnnRKLPnnQ131)2(1368 四、剪切速率计算四、剪切速率计算n由幂律方程 得：n管壁处 =，管壁处真实剪切速率真实剪切速率 ：n 是著名Rab
29、inowitch修正系数nKnnrrKLPrK11)2()(rRw34)413(RQnnwnn413 692.4.2 2.4.2 基本方程的讨论基本方程的讨论一、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、如果将流体在等径圆管中的平均流速设为二、如果将流体在等径圆管中的平均流速设为 ，则则 ，有，有：v2Qr vnnnRKLPnnRQv112)2(13nnrRrnnvv1)(111370图2.13 值不同时圆管中流体流动的速度分布/rv v/rv v/rv v/rv v/rv v71n牛顿流体牛顿流体 =1：流速分布曲线为抛物线形，管中心流速为平均流速两倍n胀塑
30、性流体胀塑性流体 1：流速分布曲线较陡峭，值越大，越接近于锥体形 =锥体形，管中心速度为平均速度3倍n假塑型性流体假塑型性流体 16）：Le段入口弹性应变在Ls段松弛，离模膨胀主要原因是Ls段剪切弹性能和法向应力差pL/DL/D很小很小：Le段入口弹性应变来不及完全松弛，模膨胀主要原因是Le段剪切和拉伸作用所贮存弹性能86 三、端末效应的影响因素三、端末效应的影响因素n凡是导致流动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，入口效应和离模膨胀效应显著n（2）随剪切速率提高，入口效应和出口膨胀更突出n（3）随温度提高，入口效
31、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87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14516017519020522088（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89n入口效应和离膜膨胀通常对高分子成形通常对高分子成形都不利都不利可能导制产品变形和
32、扭曲，降低制品尺寸稳定性和导致内应力n生产措施生产措施：L/D应尽可能使入口效应消除适当降低成形速度、提高成形温度和对挤出物适当牵引或拉伸等902.5.2 2.5.2 熔体破裂熔体破裂n熔体破裂是极端不稳定流动现象：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动的挤出物外观91一、熔体破裂机理一、熔体破裂机理n熔体破体机理不很清楚，通常认为两个原因：流体流动时在管壁上出现滑移和流体中的弹性发生回复流体内部热历史和剪切历史存在差异921.1.管壁滑移和弹性回复管壁滑移和弹性回复u管壁附近流体黏滞性黏滞性较低（管壁附近剪切速率最大和流动过程的分级效应），因此流
33、体容易在管壁处出现管壁处出现滑移滑移，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，发生弹性回复弹性回复管壁附近黏滞性最低且弹性应力最大，因此弹性回复在管壁附近较易发生93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）94u熔体破裂（弹性湍流或应力破碎弹性湍流或应力破碎）：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熔体破裂挤出物形状特征由管壁滑移和弹性回复的特征决定比如弹性湍流不稳定点沿着管周围移动，挤出
34、物将呈螺旋状扭曲如果不稳定点在整个圆周上同时出现，挤出物则呈粗糙的竹节状952.2.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动时受到的剪切作用不一样，因而液流中产生不均匀的伪弹性，伪弹性回复伪弹性回复能引起熔体破裂现象n入口死角区域存在着旋涡流动旋涡流动，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弹性应变部分或全部回复，并且热降解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致的弹性回复弹性回复。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。96二、熔体破裂的影响因素二、熔体破裂的影响因素n影响因素影响因素：聚合物性质、剪应力（或速率）、流
35、动管道及口模几何形状等n非牛顿性越强非牛顿性越强（PP、HDPE、PVC）：流速分布呈柱塞形，入口处不易产生旋涡，熔体破裂通常是入口区域或管中流动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）：流速分布近抛物线型，入口处易产生旋涡，设备和口模结构不合理时容易引起热历史和流动历史差异而出现熔体破裂97n合适的剪应力和剪切速率是避免出现熔体破裂的重要工艺因素n聚合物不同，出现熔体破裂的 和 不同 大多约在105107Pa数量级，平均值约1.25105Pa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cccc98熔体弹性行为越突出，值越低分子量增加和分子量分布
36、变窄，值降低提高温度，和 值均增加，特别是 值减小收敛角，适当增大 ，流道表面流线型化，值提高F高分子成形温度下限不是流动温度高分子成形温度下限不是流动温度 或或 ，而是，而是产生熔体破裂的温度产生熔体破裂的温度F挤出速度的上限是出现熔体破裂时的剪切速率挤出速度的上限是出现熔体破裂时的剪切速率ccccc/L DcmTfT99n鲨鱼皮症鲨鱼皮症：挤出物表面上形成很多细微的皱纹，类似于鲨鱼皮n鲨鱼皮症是另一较轻微的表层不稳定流动表层不稳定流动现象n特征特征：随不稳定流动程度不同，皱纹或密或疏，呈人字形、鱼鳞状到鲨鱼皮状等n鲨鱼皮症常见：LDPE挤出物n鲨鱼皮症现象原因原因：管壁滑移，弹性回复，对挤
37、出物的外部牵引力不稳定1002.6 2.6 高分子流变性能的测定高分子流变性能的测定n理论（经验）公式常不能很好反映实际，因此实验测定流变性能和绘制流动曲线n剪切流变测试仪器剪切流变测试仪器：毛细管流变仪、旋转式流变仪和落球黏度计等可用于测量10-31011Pas的剪切黏度n拉伸流变仪拉伸流变仪两类：稳态拉伸流动和非稳态拉伸流动n用于测定熔体黏弹性行为的动态流变仪动态流变仪：偏心盘流变仪、拉伸振动流变仪等n高分子流体流变性能测试时应根据实际成形条件选用流变仪和设定测试条件101|2.6.1 2.6.1 毛细管流变仪毛细管流变仪|2.6.2 2.6.2 旋转式流变仪旋转式流变仪|2.6.3 2.
38、6.3 拉伸流变仪拉伸流变仪2022-11-161022.6.1 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103图2.20 挤压式毛细管流变仪结构示意图1环形加热器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
39、10仪器支架104n方法方法：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 、和 ，可绘出 、和 等流动曲线 n式中，为施加于柱塞的力，为柱塞直径（即料筒直径），为料筒截面积，为毛细管直径，为毛细管长度，为柱塞下移速度。alglglglgalg1/aTccccSLFDDLFD42328cDvD448DvLFDccaFDScDcLv105n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要的校正校正n测定流动数据的校正校正：压力降、热效应、熔体压缩性和非牛顿等影响的校正毛细管 比值大于20时压力降校正可忽略多数情况下热效应影响的校正可忽略熔体压缩性校正根
40、据聚合物状态方程进行校正采用Rabinowitch或Baglay修正等作非牛顿校正/ccLD1062.6.2 2.6.2 旋转式流变仪旋转式流变仪n应用应用：测定高分子熔体或浓溶液在狭缝间的黏性流动行为，还可研究弹性行为和松弛特性等，范围10-5106Pa和 范围10-3103s-1n类型类型：转筒式流变仪、平行板式流变仪 锥板式流变仪转筒式更适合于浓溶液，后两者主要用于聚合物熔体107MRiRoLMRMMR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108n转筒式流变仪转筒式流变仪：通常采用圆筒固定而圆柱转动的方式
41、n距圆筒轴心处 的 、和 ：n式中，为平衡时圆柱转矩，为角速度，和 分别为圆筒内半径和圆柱半径，为圆柱浸液高度0ir RrRaLrM22drrd)11(4202RRLMiaM0RiRL1092.6.3 2.6.3 拉伸流变仪拉伸流变仪一、稳态拉伸流变仪一、稳态拉伸流变仪n测试测试：保持恒定nBallmanBallman法法和和MeissnerMeissner法法：试样浸浴于热油中，热油与试样密度相同，试样漂浮在热油中，在垂直方向作用力为零，并保持熔体状态 t110nBallmanBallman法拉伸流变仪法拉伸流变仪：熔体试样长度随时间呈指数关系 增长n单轴拉伸黏度 ：n试验条件试验条件：试样
42、拉伸变形均匀，不能出现颈缩现象；应控制在（47）的低应变状态；Ballman法是垂直拉伸，对油浴密度要求不很严格0tLL e 00/ttF tA tF tF t eA eA111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112nMeissnerMeissner法拉伸流变仪法拉伸流变仪：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力 夹紧，滚轮（表面线速度 ）以恒定 使试样被拉伸长度 ，拉簧片上的应变片传感器可测得夹紧拉力 或驱动力矩 ，试样另一端的夹紧滚轮提供拉伸的平衡力。剪断刀在拉伸结束后将试样剪
43、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均匀，拉伸应力应恒定；以秒钟计驱动滚轮的转动，保持应变速率恒定 F tvxx F t M t113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114二、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动，测定拉伸黏度可研究合成纤维相对可纺性n非稳态拉伸流变仪非稳态拉伸流变仪：挤出物在空气中冷却，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。试验时通常逐渐提高鼓轮的转速，注意拉力 的变化，直到纤维断裂，可获知纤维熔体的强度。FF1
44、15n实质实质：获得纤维与鼓轮接触点 处表观拉伸黏度 n 、分别为接触点 处的纤维拉伸应力和拉伸应变速率 n 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sssssss,2200r Lr LLsLFFvrvr200lnln2lnLLLsLBrvvvBLrLv,r LFs0rLr0vLvB116图2.26 熔体纺丝的非稳态拉伸流动117n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具有测定拉伸黏度、挤出物胀大、壁滑速度、熔体破裂、流动温度、材料降解、应力松弛、熔体强度等多种功能配有相应计算软件，直接显示和输出流
45、变数据与流变曲线118本章小结本章小结n成形流变特征成形流变特征：高分子流体通常为层流状态；稳态流：高分子流体通常为层流状态；稳态流动和非稳态流动；剪切流动和拉伸流动；一维流动、动和非稳态流动；剪切流动和拉伸流动；一维流动、二维流动和三维流动；等温流动和非等温流动二维流动和三维流动；等温流动和非等温流动一、高分子成形的剪切流动一、高分子成形的剪切流动高分子流体通常为非牛顿型流体高分子流体通常为非牛顿型流体：黏性流体、黏弹性：黏性流体、黏弹性流体和时间依赖性流体流体和时间依赖性流体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
46、类型种类型2022-11-16119l幂律方程（幂律方程（即指数定律方程）是描述黏性流体剪即指数定律方程）是描述黏性流体剪切流变行为的重要方程切流变行为的重要方程l时间依赖性流体时间依赖性流体类型类型:触变性流体和震凝性流体触变性流体和震凝性流体l影响因素影响因素：温度、压力、剪切速率、分子结构、：温度、压力、剪切速率、分子结构、组成和外加力场等组成和外加力场等2022-11-16120二、高分子成形的拉伸流动二、高分子成形的拉伸流动l拉伸流动拉伸流动：抑制性拉伸流动和非抑制性拉伸流动抑制性拉伸流动和非抑制性拉伸流动l抑制性拉伸流动抑制性拉伸流动称为收敛流动，是剪切流动和拉称为收敛流动，是剪切
47、流动和拉伸流动的复合伸流动的复合l非抑制性拉伸流动非抑制性拉伸流动是纯粹的拉伸流动是纯粹的拉伸流动2022-11-16121三、高分子成形的流动分析三、高分子成形的流动分析l幂律流体在等径圆管流道的等温稳态层流是幂律流体在等径圆管流道的等温稳态层流是一维一维流动流动l管中心的剪应力和剪切速率为零，管壁处的剪应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力和剪切速率最大l 值影响流体在等径圆管流道中的流动速度分布值影响流体在等径圆管流道中的流动速度分布曲线形状和特征曲线形状和特征n2022-11-16122四、高分子成形的流体弹性四、高分子成形的流体弹性l最常见弹性行为最常见弹性行为：入口效应、离模膨胀和熔体破裂：入口效应、离模膨胀和熔体破裂l入口效应通常认为是由入口处拉伸流动和剪切增强所入口效应通常认为是由入口处拉伸流动和剪切增强所导致导致l离模膨胀效应通常认为是弹性贮能和法向应力所引起离模膨胀效应通常认为是弹性贮能和法向应力所引起l熔体破裂原因：熔体破裂原因：管壁滑移和弹性回复；热历史和剪切管壁滑移和弹性回复；热历史和剪切历史差异历史差异五、高分子流变性能的测定五、高分子流变性能的测定l简要介绍毛细管流变仪、旋转式流变仪和拉伸流变仪简要介绍毛细管流变仪、旋转式流变仪和拉伸流变仪2022-11-16123124
