高分子熔體的流變性

1、第第4章章 高聚物熔體的流變性高聚物熔體的流變性本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第第1節(jié)節(jié) 高分子液體的奇異流變性和流動機理高分子液體的奇異流變性和流動機理 11 奇異的流變性質(zhì)奇異的流變性質(zhì) 12 高分子黏流態(tài)特征及流動機理高分子黏流態(tài)特征及流動機理第第2節(jié)節(jié) 高分子液體的基本流變性質(zhì)高分子液體的基本流變性質(zhì) 21 基本物理量與基本流變函數(shù)基本物理量與基本流變函數(shù) 22 假塑性流體的流動規(guī)律假塑性流體的流動規(guī)律 23 關于關于“剪切變稀剪切變稀”和熔體彈性的說明和熔體彈性的說明第第3節(jié)節(jié) 關于高分子液體黏彈性的討論關于高分子液體黏彈性的討論 31 影響剪切黏度的主要因素影響剪切黏度的主要因素 32

2、高分子液體彈性效應的描述高分子液體彈性效應的描述第第4節(jié)節(jié) 剪切黏度的測量方法剪切黏度的測量方法 41 毛細管流變儀測量表觀剪切黏度毛細管流變儀測量表觀剪切黏度 42 恒速式雙毛細管流變儀簡介恒速式雙毛細管流變儀簡介 43 錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介 44 落球式黏度計的測量原理落球式黏度計的測量原理第第5節(jié)節(jié) 高分子熔體流動不穩(wěn)定性高分子熔體流動不穩(wěn)定性 51 擠出過程中的畸變和熔體破裂行為擠出過程中的畸變和熔體破裂行為 52 紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象 講清以下基本概念：講清以下基本概念：流變性；剪切應力；法向應力；法向應力差；剪切速率；流變性；

3、剪切應力；法向應力；法向應力差；剪切速率；拉伸速率；速度梯度；零剪切黏度；表觀剪切黏度；拉伸黏度；假塑性；剪切拉伸速率；速度梯度；零剪切黏度；表觀剪切黏度；拉伸黏度；假塑性；剪切變稀；非牛頓指數(shù)；黏流活化能；可恢復形變；彈性柔量；擠出脹大比；復數(shù)變??；非牛頓指數(shù)；黏流活化能；可恢復形變；彈性柔量；擠出脹大比；復數(shù)剪切模量；貯能模量；損耗模量；損耗正切；復數(shù)黏度；動態(tài)黏度；擠出畸變；剪切模量；貯能模量；損耗模量；損耗正切；復數(shù)黏度；動態(tài)黏度；擠出畸變；熔體破裂；流動應力集中效應；模壁滑移現(xiàn)象；拉伸共振。熔體破裂；流動應力集中效應；模壁滑移現(xiàn)象；拉伸共振。定義剪切流動，拉伸流動，表觀剪切黏度，法向

4、應力差系數(shù)，拉伸黏度。定義剪切流動，拉伸流動，表觀剪切黏度，法向應力差系數(shù)，拉伸黏度。介紹高分子液體奇異的流變性質(zhì)和高分子黏流態(tài)的特征及流動機理介紹高分子液體奇異的流變性質(zhì)和高分子黏流態(tài)的特征及流動機理討論溫度，壓力對剪切黏度的影響。比較不同材料的黏流活化能，說明為何討論溫度，壓力對剪切黏度的影響。比較不同材料的黏流活化能，說明為何不同材料采用不同加工方法。不同材料采用不同加工方法。建議建議6學時學時講解重點講解重點討論分子量、分子量分布、支化結構對高分子液體流動性的影響。討論分子量、分子量分布、支化結構對高分子液體流動性的影響。 簡要介紹描述高分子液體彈性效應的幾個物理量。簡要介紹描述高分子

5、液體彈性效應的幾個物理量。講解用毛細管流變儀測量高分子液體剪切黏度和熔體彈性的原理和實驗方法。講解用毛細管流變儀測量高分子液體剪切黏度和熔體彈性的原理和實驗方法。 講解講解熔體流動不穩(wěn)定性的表現(xiàn)、發(fā)生的原因和可能的克服方法。熔體流動不穩(wěn)定性的表現(xiàn)、發(fā)生的原因和可能的克服方法。建議建議6學時學時講解重點講解重點第第1節(jié)節(jié) 高分子液體的奇異流變性和流動機理高分子液體的奇異流變性和流動機理11 奇異的流變性質(zhì)奇異的流變性質(zhì)“剪切變稀剪切變稀”行為（行為（shear-thinning）:多數(shù)高分子液體的黏度隨剪切速率多數(shù)高分子液體的黏度隨剪切速率增大而下降。增大而下降。“剪切變稠剪切變稠”效應（效應（

6、shear-thickening）:呈少數(shù)高分子體系，如高濃度的呈少數(shù)高分子體系，如高濃度的聚氯乙烯塑料溶膠、高濃度填充體系等，黏度隨剪切速率增大反常地升高。聚氯乙烯塑料溶膠、高濃度填充體系等，黏度隨剪切速率增大反常地升高。通常把具有通常把具有“剪切變稀剪切變稀”效應的流體稱假塑性流體（效應的流體稱假塑性流體（pseudoplastic fluid），具有），具有“剪切變稠剪切變稠”效應的流體稱脹流性流體（效應的流體稱脹流性流體（dilatant fluid）。）。它們均屬于非牛頓流體范疇。它們均屬于非牛頓流體范疇。1）高黏度與）高黏度與“剪切變稀剪切變稀”行為行為2）擠出脹大現(xiàn)象）擠出脹大現(xiàn)

7、象圖圖8-1 擠出脹大效應示意圖擠出脹大效應示意圖又稱口模膨脹效應（又稱口模膨脹效應（die swell）或或Barus效應效應3）爬桿現(xiàn)象爬桿現(xiàn)象（Weissenberg效應）效應）又稱又稱Weissenberg效應。出現(xiàn)原因效應。出現(xiàn)原因也被歸結為高分子液體是一種彈性液也被歸結為高分子液體是一種彈性液體，具有法向應力差效應。體，具有法向應力差效應。圖圖8-2 高分子液體高分子液體“爬桿爬桿”效應示意效應示意圖圖 4）擠出畸變擠出畸變和和熔體破裂熔體破裂現(xiàn)象現(xiàn)象光滑光滑 20 s20 s-1-1光滑光滑 30 s-1鯊魚皮畸變鯊魚皮畸變100 s-1鯊魚皮畸變鯊魚皮畸變200 s-1黏黏-滑

8、轉(zhuǎn)變滑轉(zhuǎn)變300 s-1螺紋狀畸變螺紋狀畸變800 s-1螺紋狀畸變螺紋狀畸變1000 s-1熔體破裂熔體破裂2000 s-1圖圖8-3 不同擠出速率下不同擠出速率下LLDPE熔體擠出物外觀照片熔體擠出物外觀照片 這些現(xiàn)象也與高分子液體的彈性有關。由于有彈性因此液體能承受拉伸形這些現(xiàn)象也與高分子液體的彈性有關。由于有彈性因此液體能承受拉伸形變，產(chǎn)生拉伸流動，且拉伸液流的自由表面相當穩(wěn)定。這是高分子液體具變，產(chǎn)生拉伸流動，且拉伸液流的自由表面相當穩(wěn)定。這是高分子液體具有良好紡絲（一維拉伸）和成膜（一維或二維拉伸）能力的根據(jù)。有良好紡絲（一維拉伸）和成膜（一維或二維拉伸）能力的根據(jù)。 5）無管虹吸

9、，拉伸流動和可紡性）無管虹吸，拉伸流動和可紡性圖圖8-4 無管虹吸和側壁虹吸效應示意圖（無管虹吸和側壁虹吸效應示意圖（N表示牛頓流體，表示牛頓流體，P表示高分子液體）表示高分子液體） 1. 2 高分子黏流態(tài)特征及流動機理高分子黏流態(tài)特征及流動機理 黏流態(tài)黏流態(tài) 高分子材料的黏流態(tài)，指溫度處于黏流溫度（高分子材料的黏流態(tài)，指溫度處于黏流溫度（Tf）和分解溫度）和分解溫度（Td）之間的一種凝聚態(tài)。從宏觀看，黏流態(tài)主要特征是在外力）之間的一種凝聚態(tài)。從宏觀看，黏流態(tài)主要特征是在外力場作用下，熔體產(chǎn)生不可逆永久變形和流動。微觀看，發(fā)生黏性場作用下，熔體產(chǎn)生不可逆永久變形和流動。微觀看，發(fā)生黏性流動時分

10、子鏈產(chǎn)生重心相對位移的整鏈運動。流動時分子鏈產(chǎn)生重心相對位移的整鏈運動。 非晶態(tài)線形高分子材料的形變非晶態(tài)線形高分子材料的形變-溫度曲線示意圖溫度曲線示意圖ML、MH分別代表低分子量和高分子量分別代表低分子量和高分子量 低結晶度線形高分子材料的形變低結晶度線形高分子材料的形變-溫度曲線示意圖溫度曲線示意圖ML、MH分別代表低分子量和高分子量分別代表低分子量和高分子量 研究表明，黏流態(tài)下大分子流動的基本結構單元并不是分子整鏈，而是鏈研究表明，黏流態(tài)下大分子流動的基本結構單元并不是分子整鏈，而是鏈段，分子整鏈的運動是通過鏈段的相繼運動實現(xiàn)的。段，分子整鏈的運動是通過鏈段的相繼運動實現(xiàn)的。研究高分子

11、黏流活化能時發(fā)現(xiàn)，當熔體分子量很低時，隨分子量增大而增研究高分子黏流活化能時發(fā)現(xiàn)，當熔體分子量很低時，隨分子量增大而增大。分子量達到一定值后，值趨于恒定。與該恒定值對應的最低分子量相大。分子量達到一定值后，值趨于恒定。與該恒定值對應的最低分子量相當于由當于由20-30個個C原子組成的鏈段的大小，說明熔體流動的基本結構單元原子組成的鏈段的大小，說明熔體流動的基本結構單元是鏈段。是鏈段。 表表8-2 8-2 部分聚合物的流動溫度部分聚合物的流動溫度流動機理流動機理 第第2節(jié)節(jié) 高分子液體的基本流變性質(zhì)高分子液體的基本流變性質(zhì)21 基本物理量與基本流變函數(shù)基本物理量與基本流變函數(shù)211 剪切應力分量

12、和法向應力分量剪切應力分量和法向應力分量實際材料受外力作用后內(nèi)應力狀態(tài)十分復雜。實際材料受外力作用后內(nèi)應力狀態(tài)十分復雜。分析某點附近立方體三個正交獨立平面上的分析某點附近立方體三個正交獨立平面上的應力綜合，就能完整描述該點的應力狀態(tài)。應力綜合，就能完整描述該點的應力狀態(tài)。圖圖8-6 單位立方體上各應力單位立方體上各應力分量的位置關系分量的位置關系應力應力定義為外力或外力矩作用下材料內(nèi)部或表面定義為外力或外力矩作用下材料內(nèi)部或表面單位面積上的響應力，單位為單位面積上的響應力，單位為Pa（1Pa = 1N/m2）或）或MPa (1MPa = 106 Pa)。應力分兩類：一類應力作用在相應面元的法線

13、應力分兩類：一類應力作用在相應面元的法線方向上，稱方向上，稱法向應力分量法向應力分量；一類應力作用在相；一類應力作用在相應面元的切線方向上，稱應面元的切線方向上，稱剪切應力分量剪切應力分量。高分子液體流動時三個法向應力分量互不相等，存在法向應力差（高分子液體流動時三個法向應力分量互不相等，存在法向應力差（normal stress difference）。通常定義兩個法向應力差函數(shù)描寫這種性質(zhì)：）。通常定義兩個法向應力差函數(shù)描寫這種性質(zhì)：221122111TTN332233222TTNpTiiii) 3, 2, 1( i第一法向應力差第一法向應力差 第二法向應力差第二法向應力差 式中式中稱偏應

14、力分量，稱偏應力分量，p為各向同性水壓力。為各向同性水壓力。剪切應力剪切應力反應了液體流動時的內(nèi)摩擦，表現(xiàn)為黏性。反應了液體流動時的內(nèi)摩擦，表現(xiàn)為黏性。法向應力法向應力反應了液體所受的擠壓和拉伸，表現(xiàn)為彈性。反應了液體所受的擠壓和拉伸，表現(xiàn)為彈性。小分子液體流動時，三個法向應力相等，因此小分子液體無彈性，只有黏性。小分子液體流動時，三個法向應力相等，因此小分子液體無彈性，只有黏性。三個法向應力分量互不相等是高分子液體具有彈性的表現(xiàn)，因此高分子液體稱三個法向應力分量互不相等是高分子液體具有彈性的表現(xiàn)，因此高分子液體稱黏彈性液體。法向應力差函數(shù)可作為描述液體彈性的物理量。黏彈性液體。法向應力差函數(shù)

15、可作為描述液體彈性的物理量。 212 速度梯度和形變速率速度梯度和形變速率單位時間內(nèi)發(fā)生的形變。在剪切流場中稱單位時間內(nèi)發(fā)生的形變。在剪切流場中稱剪切速率剪切速率（shear rate）；在拉伸流場中稱）；在拉伸流場中稱拉伸速率拉伸速率（elongation rate）。）。dydvdtdx 形變速率形變速率圖圖8-7 簡單剪切流場示意圖簡單剪切流場示意圖剪切流場下，流速方向與速度梯度方向垂直；剪切流場下，流速方向與速度梯度方向垂直；拉伸流場中流速方向與速度梯度的方向平行。拉伸流場中流速方向與速度梯度的方向平行。 圖圖8-8 一維單軸拉伸流場（一維單軸拉伸流場（a）和二維雙軸拉伸流場（）和二維

16、雙軸拉伸流場（b）（a） （b） 213 表觀剪切黏度表觀剪切黏度)()(a 圖圖8-9 高分子熔體流動曲線示意圖高分子熔體流動曲線示意圖為特性：剪切變稀2. 1. 4 第一、第二法向應力差系數(shù)第一、第二法向應力差系數(shù) 、 222112121N 233222222N 第二法向應力差系數(shù)第二法向應力差系數(shù)第一法向應力差系數(shù)第一法向應力差系數(shù)圖圖8-11 第第1、第、第2法向應力差曲線法向應力差曲線N10，且隨剪切速率的增加而增大 N2Tg+100 E 黏流活化能WLF方程方程 適用條件：TgTTg+100 TgTTgTTgTT6 .51)(44.17lg)()(lg 黏流活化能（黏流活化能（fl

17、ow activation energy）黏流活化能黏流活化能：流動過程中，流動單元（鏈段）用于克服位壘，由原位置：流動過程中，流動單元（鏈段）用于克服位壘，由原位置躍遷到附近躍遷到附近“空穴空穴”所需的最小能量。所需的最小能量。特性：特性：1. 反映材料黏度隨溫度變化的敏感性；反映材料黏度隨溫度變化的敏感性；2. 與分子鏈結構有關，與總分子量關系不大；與分子鏈結構有關，與總分子量關系不大；3. 剛性、極性、或含較大側基的材料，黏流活化能較高；而柔性較好的線形剛性、極性、或含較大側基的材料，黏流活化能較高；而柔性較好的線形分子鏈材料黏流活化能較低。分子鏈材料黏流活化能較低。 剪切速率和剪切應力

18、的影響剪切速率和剪切應力的影響剪切變稀剪切變稀，表征材料的黏，表征材料的黏-切依賴性。切依賴性。曲線特征：曲線特征：1）各材料的零剪切黏度高低不同，主）各材料的零剪切黏度高低不同，主要反映平均分子量的差別；要反映平均分子量的差別；2）材料流動性由線性行為轉(zhuǎn)入非線性）材料流動性由線性行為轉(zhuǎn)入非線性行為的臨界剪切速率不同；行為的臨界剪切速率不同；3）冪律流動區(qū)的曲線斜率不同，即流）冪律流動區(qū)的曲線斜率不同，即流動指數(shù)動指數(shù)n不同。不同。圖圖8-20 幾種高分子熔體在幾種高分子熔體在200的黏度與剪切速的黏度與剪切速率的關系率的關系-HDPE；-PS；-PMMA；-LDPE；-PP312 分子結構參

19、數(shù)的影響分子結構參數(shù)的影響平均分子量的影響平均分子量的影響103.13.42WWKMK MWeWeMMMM MMe e - -臨界纏結分子量臨界纏結分子量Fox- Flory公式公式圖圖8-21 黏度與分子量黏度與分子量M的關系的關系規(guī)律：規(guī)律：1. 當分布加寬時，物料的黏流溫度當分布加寬時，物料的黏流溫度Tf下降，流動性及加工行為有所改善；下降，流動性及加工行為有所改善；2. 分子量分布寬的試樣，非牛頓流變性較為顯著。分子量分布寬的試樣，非牛頓流變性較為顯著。 在低剪切速率下，寬分布試樣的黏度，包括零剪切黏度往往較高；在低剪切速率下，寬分布試樣的黏度，包括零剪切黏度往往較高； 隨剪切速率增大

20、，寬分布試樣黏隨剪切速率增大，寬分布試樣黏-切敏感性較大；切敏感性較大； 高剪切速率范圍內(nèi)，寬分布試樣的黏度可能反而更低。高剪切速率范圍內(nèi)，寬分布試樣的黏度可能反而更低。分子量分布的影響分子量分布的影響支化結構的影響支化結構的影響 圖圖8-23 支化與線形高分子材料的黏度支化與線形高分子材料的黏度短支化：降低黏度短支化：降低黏度長支化：影響巨大且復雜長支化：影響巨大且復雜313 配合劑的影響配合劑的影響填充補強劑填充補強劑 ：炭黑、短纖維等增強（補強）材料，或各種無機材料：炭黑、短纖維等增強（補強）材料，或各種無機材料軟化增塑劑軟化增塑劑 ： 各種礦物油、低聚物等各種礦物油、低聚物等 1）炭黑

21、的影響）炭黑的影響主要作用為：主要作用為： ）增黏效應，使體系黏度升高；）增黏效應，使體系黏度升高； ）使非牛頓流動性減弱，流動指數(shù)）使非牛頓流動性減弱，流動指數(shù)n值升高。值升高。2）碳酸鈣的影響）碳酸鈣的影響主要影響：主要影響： ）增多體系內(nèi)部的微空隙，使材料內(nèi)部應力集中點增加，加速破壞；）增多體系內(nèi)部的微空隙，使材料內(nèi)部應力集中點增加，加速破壞； ）使體系黏度增大，彈性下降，加工困難，設備磨損加快。）使體系黏度增大，彈性下降，加工困難，設備磨損加快。 3）軟化增塑劑的影響 主要作用：主要作用： ）增大分子鏈之間的間距，屏蔽大分子中極性基團，減少分子鏈間）增大分子鏈之間的間距，屏蔽大分子中極

22、性基團，減少分子鏈間相互作用力。相互作用力。 ）低分子量的軟化）低分子量的軟化增塑劑可使發(fā)生高分子發(fā)生纏結的臨界分子量增塑劑可使發(fā)生高分子發(fā)生纏結的臨界分子量提高，纏結點密度下降，體系的非牛頓性減弱。提高，纏結點密度下降，體系的非牛頓性減弱。32 高分子液體彈性效應的描述高分子液體彈性效應的描述321 可恢復形變可恢復形變SRWRS2/ )(2211黏彈性流體形變及形變回復示意圖黏彈性流體形變及形變回復示意圖 322 擠出脹大比及口模入口、出口壓力降擠出脹大比及口模入口、出口壓力降圖圖8-27 擠出脹大現(xiàn)象的說明擠出脹大現(xiàn)象的說明擠出流場中分子鏈構象發(fā)生顯著改變的位置：擠出流場中分子鏈構象發(fā)生

23、顯著改變的位置： 1）口模入口區(qū)）口模入口區(qū) 2）口模內(nèi)部模壁附近）口模內(nèi)部模壁附近擠出脹大比擠出脹大比BDdBi/ 入口壓力降入口壓力降主要由熔體經(jīng)歷彈性形變、儲存彈性能引起，可描述熔體彈性高低。主要由熔體經(jīng)歷彈性形變、儲存彈性能引起，可描述熔體彈性高低。出口壓力降出口壓力降表征熔體剩余彈性形變的大小。表征熔體剩余彈性形變的大小。 入口壓力降入口壓力降 與與 出口壓力降出口壓力降 （a）口模直徑）口模直徑1mm，表觀剪切速率，表觀剪切速率=174s-1 （b）口模直徑）口模直徑1mm，T180圖圖8-28 聚烯烴彈性體聚烯烴彈性體POE的擠出脹大比（的擠出脹大比（a）和入口壓力降（）和入口壓

24、力降（b） 法向應力差效應是黏彈性流體的典型彈性效應。法向應力差效應是黏彈性流體的典型彈性效應。323 法向應力差描述熔體彈性法向應力差描述熔體彈性圖圖8-29 聚乙烯樣品的第一法向應力差聚乙烯樣品的第一法向應力差隨剪切應力的變化隨剪切應力的變化HDPEWM2.20105 HDPEWM1.68105 /WnMM16 /WnMM84LDPE WM4.00105 /WnMM20第第4節(jié)節(jié) 剪切黏度的測量方法剪切黏度的測量方法41 毛細管流變儀測量表觀剪切黏度毛細管流變儀測量表觀剪切黏度411 毛細管流變儀的基本構造毛細管流變儀的基本構造圖圖8-31 毛細管及壓力傳感器的安排毛細管及壓力傳感器的安排

25、恒速型（測壓力）恒速型（測壓力）恒壓力型（測流速）恒壓力型（測流速） 操作簡單，測量范圍寬操作簡單，測量范圍寬412 毛細管內(nèi)的流場分析毛細管內(nèi)的流場分析圖圖8-32 熔體在毛細管內(nèi)的流動分析熔體在毛細管內(nèi)的流動分析1）剪切應力的計算）剪切應力的計算2122pprrL受力平衡分析：受力平衡分析：1222pprp rLz毛細管壁處的最大剪切應力毛細管壁處的最大剪切應力： 2wr RpRz剪切應力計算無需假設流體類型剪切應力計算無需假設流體類型2）剪切速率和黏度的計算，）剪切速率和黏度的計算，Rabinowich-Mooney公式公式牛頓流體牛頓流體，其本構方程為：，其本構方程為： 剪切速率的測量

26、和計算與流過毛細管的物料種類有關。剪切速率的測量和計算與流過毛細管的物料種類有關。00()zr 利用應力計算公式，則有：利用應力計算公式，則有：00112zprrz 2201( )()4zprRrz積分得：積分得：42200002()28RRzpRpQrdrr Rrdrzz根據(jù)上式的速度分布，積分求得物料流經(jīng)毛細管的體積流量根據(jù)上式的速度分布，積分求得物料流經(jīng)毛細管的體積流量Q ,3048ww NzQDR非牛頓流體非牛頓流體，按照，按照Rabinowich-Mooney修正公式修正公式計算其在管壁處的剪切速率：計算其在管壁處的剪切速率：,ln(3)(3)44lnwNwNwNwNwwwNwwdd

27、dd對于對于符合冪律方程的高分子熔體符合冪律方程的高分子熔體，公式簡化為：，公式簡化為：式中，式中，n為非牛頓指數(shù)為非牛頓指數(shù)。對照最大應力計算公式，可知：對照最大應力計算公式，可知：,314ww Nnn 3）入口壓力校正，）入口壓力校正，Bagley修正修正exitcapentPPPP入口壓力降和出口壓力降都對入口壓力降和出口壓力降都對剪切應力計算產(chǎn)生影響，但入剪切應力計算產(chǎn)生影響，但入口壓力降的影響更為顯著，需口壓力降的影響更為顯著，需進行進行Bagley校正。校正。圖圖8-33 料筒與毛細管中物料內(nèi)部壓力分布示意圖料筒與毛細管中物料內(nèi)部壓力分布示意圖實測壓力降包含三部分：實測壓力降包含三

28、部分： Bagley校正原理校正原理中心思想中心思想：保持毛細管上真實的壓力梯度：保持毛細管上真實的壓力梯度不變，將毛細管虛擬地延不變，將毛細管虛擬地延長，使入口壓力降以相同的梯度降在虛擬延長的長度上。長，使入口壓力降以相同的梯度降在虛擬延長的長度上。圖圖8-34 實驗確定實驗確定Bagley修正因子示意圖修正因子示意圖設毛細管虛擬延長長度為LB，記為： RnLBBRnLPzpB真實壓力梯度應為： 剪切應力計算公式修正為： RnLPRBw242 恒速型雙毛細管流變儀簡介恒速型雙毛細管流變儀簡介構造和使用特點：構造和使用特點：兩個相同的料筒，下端分別安兩個相同的料筒，下端分別安裝壓力傳感器。裝壓

29、力傳感器。2. 兩個料筒下方分別安裝普通毛細兩個料筒下方分別安裝普通毛細管和零長毛細管。管和零長毛細管。 兩毛細管的兩毛細管的入口區(qū)形狀相同。入口區(qū)形狀相同。3. 測量時，兩料筒中的柱塞同時以測量時，兩料筒中的柱塞同時以等速推進，將熔體分別擠出兩等速推進，將熔體分別擠出兩根毛細管。兩壓力傳感器分別根毛細管。兩壓力傳感器分別測量擠出時的壓力變化。測量擠出時的壓力變化。4. 可直接測量入口壓力降。可直接測量入口壓力降。圖圖8-35 雙毛細管流變儀結構示意圖雙毛細管流變儀結構示意圖43 錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介431 錐錐-板型流變儀測量表觀剪切黏度板型流變儀測量表觀剪切黏度圖圖8-

30、36 錐錐-板流變儀結構示意圖和球坐標系板流變儀結構示意圖和球坐標系 錐錐-板流變儀的優(yōu)點：板流變儀的優(yōu)點：1. 測量剪切黏度方法簡便，數(shù)據(jù)處理時無需作任何校正。測量剪切黏度方法簡便，數(shù)據(jù)處理時無需作任何校正。2. 計算方法不涉及流體種類。計算方法不涉及流體種類。3. 錐體旋轉(zhuǎn)速度可以控制到很慢，較容易測出零剪切黏度。錐體旋轉(zhuǎn)速度可以控制到很慢，較容易測出零剪切黏度。4. 經(jīng)過改裝，能直接測量法向應力差函數(shù)和液體的動態(tài)黏彈性。經(jīng)過改裝，能直接測量法向應力差函數(shù)和液體的動態(tài)黏彈性。432 錐錐-板型流變儀測量液體的動態(tài)黏彈性板型流變儀測量液體的動態(tài)黏彈性1）高分子液體的動態(tài)黏彈性）高分子液體的動

31、態(tài)黏彈性設高分子液體為線性體，交變應力、應變的振幅為小振幅。對高分子設高分子液體為線性體，交變應力、應變的振幅為小振幅。對高分子液體施以正弦變化的液體施以正弦變化的剪切應變剪切應變： tie0*)(i應力響應為：應力響應為：)(0*)(tiei復數(shù)復數(shù)剪切速率剪切速率為：為： ()200*()*/iti titiee 定義高分子液體定義高分子液體復數(shù)剪切模量復數(shù)剪切模量為：為：0000( )*/ *cossiniG iei)()(GiG 其中其中 00() cosG貯能剪切模量貯能剪切模量00( )sinG損耗剪切模量損耗剪切模量( )tan( )GG損耗正切損耗正切定義復數(shù)剪切黏度為定義復數(shù)

32、剪切黏度為 ()0002000(i )/sincosiiieei動態(tài)黏度動態(tài)黏度)()( i其中其中 sin)()(00 Gcos)()(00 G2）錐）錐-板型流變儀測量液體的動態(tài)黏彈性板型流變儀測量液體的動態(tài)黏彈性圖圖8-38 HDPE DMDJ 4309的流變曲線（的流變曲線（200）圖圖8-39 PS STYRON 686的流變曲線（的流變曲線（200）44 落球式黏度計的測量原理落球式黏度計的測量原理圖圖8-40 落球式黏度計示意圖落球式黏度計示意圖1-小球，小球，2-測黏度管，測黏度管，3-加熱器，加熱器，4-外套外套小球下落時受到三個力作用：小球下落時受到三個力作用：重力重力 g

33、RWb334浮力浮力 gRfs334Stokes黏性阻力黏性阻力 vRF6三力平衡時：三力平衡時：gRvRsb3346sbvgR292可得，可得，51 擠出過程中的畸變和熔體破裂行為擠出過程中的畸變和熔體破裂行為511 兩類畸變和熔體破裂現(xiàn)象兩類畸變和熔體破裂現(xiàn)象 表面有規(guī)畸變表面有規(guī)畸變，指畸變僅發(fā)生在擠出物表面，擠出物整體仍保持平直，畸變呈，指畸變僅發(fā)生在擠出物表面，擠出物整體仍保持平直，畸變呈現(xiàn)某種規(guī)律性特征?，F(xiàn)某種規(guī)律性特征。 整體無規(guī)畸變整體無規(guī)畸變，指擠出物不再保持平直，整體發(fā)生扭曲畸變，幾乎無規(guī)律性，指擠出物不再保持平直，整體發(fā)生扭曲畸變，幾乎無規(guī)律性，嚴重的甚至發(fā)生整體粉碎性破

34、裂，稱熔體破裂。嚴重的甚至發(fā)生整體粉碎性破裂，稱熔體破裂。 線形聚合物：線形聚合物： 光滑表面光滑表面表面有規(guī)畸變表面有規(guī)畸變整體無規(guī)畸變整體無規(guī)畸變支化分子鏈聚合物：光滑表面支化分子鏈聚合物：光滑表面整體扭曲畸變整體扭曲畸變整體無規(guī)畸變整體無規(guī)畸變擠出畸變的分類擠出畸變的分類畸變的演化順序畸變的演化順序第第5節(jié)節(jié) 高分子熔體流動不穩(wěn)定性高分子熔體流動不穩(wěn)定性圖圖8-41 LDPE熔體擠出物表觀隨擠出速率的演變，熔體擠出物表觀隨擠出速率的演變，150（a）LLDPE-7047 （b）LDPE-2100TN00圖圖8-42 LLDPE-7047（190）和）和LDPE-2100TN00（170C

35、）的流動曲線）的流動曲線區(qū)別：區(qū)別：1. 線形聚合物熔體（線形聚合物熔體（a）發(fā)生表面黏）發(fā)生表面黏-滑畸變時，流動曲線經(jīng)常出滑畸變時，流動曲線經(jīng)常出現(xiàn)不連續(xù)突變（曲線斷裂和斜率突變）現(xiàn)不連續(xù)突變（曲線斷裂和斜率突變） 2.支化聚合物熔體（支化聚合物熔體（b）發(fā)生整體扭曲畸變和熔體破裂時，流動）發(fā)生整體扭曲畸變和熔體破裂時，流動曲線始終保持連續(xù)，斜率無突變。曲線始終保持連續(xù)，斜率無突變。（a）LLDPE-7047（190）（b）LDPE-2100TN00（170）圖圖8-43 擠出壓力隨擠出速率發(fā)展曲線擠出壓力隨擠出速率發(fā)展曲線區(qū)別：區(qū)別：1. 線形聚合物熔體（線形聚合物熔體（a）在超過特定剪

36、切速率后，入口壓力降平穩(wěn)但總）在超過特定剪切速率后，入口壓力降平穩(wěn)但總擠出壓力發(fā)生振蕩。擠出壓力發(fā)生振蕩。 （不穩(wěn)定區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)-口模內(nèi)）口模內(nèi)）2.支化聚合物熔體（支化聚合物熔體（b）在超過特定剪切速率后，入口壓力降振蕩，但）在超過特定剪切速率后，入口壓力降振蕩，但總擠出壓力隨擠出速率平穩(wěn)發(fā)展?？倲D出壓力隨擠出速率平穩(wěn)發(fā)展。 （不穩(wěn)定區(qū)（不穩(wěn)定區(qū)-入口區(qū)）入口區(qū)）1）擠出流場中擾動源位置的分析）擠出流場中擾動源位置的分析擾動擾動（disturbance）的發(fā)生可歸結為在高速擠出時流場中某個位置出現(xiàn)過度的流）的發(fā)生可歸結為在高速擠出時流場中某個位置出現(xiàn)過度的流動應力集中效應，引起流動失穩(wěn)和彈性

37、湍流。對于擠出過程，主要指口模入口處、動應力集中效應，引起流動失穩(wěn)和彈性湍流。對于擠出過程，主要指口模入口處、口模壁（界面）處和口模出口處?？谀１冢ń缑妫┨幒涂谀３隹谔?。圖圖8-44 擠出流場內(nèi)流動應力集中的位置示意圖擠出流場內(nèi)流動應力集中的位置示意圖512 擠出畸變和熔體破裂機理簡要分析擠出畸變和熔體破裂機理簡要分析流動應力集中效應也反映在流動壓力降的分布上。流動應力集中效應也反映在流動壓力降的分布上。定義定義入口壓力降占總壓力降的比例為入口壓力降占總壓力降的比例為：=Pent /（Pent+Pcap）表表8-7 LDPE、LLDPE及共混物在不同流量下入口壓力與總壓力的比值及共混物在不同流

38、量下入口壓力與總壓力的比值（190）2）口模入口區(qū)的流動失穩(wěn)強拉伸造成流場紊亂）口模入口區(qū)的流動失穩(wěn)強拉伸造成流場紊亂圖圖8-45 口模入口處的擾動引起熔體破裂示意圖口模入口處的擾動引起熔體破裂示意圖3）口模壁處的流動失穩(wěn)）口模壁處的流動失穩(wěn)吸附與解吸附，纏結與解纏結吸附與解吸附，纏結與解纏結（a）弱纏結，強吸附；）弱纏結，強吸附；Cohesive滑移滑移 （b）強纏結，弱吸附；）強纏結，弱吸附；Adhesive滑移滑移圖圖8-46 口模壁附近發(fā)生熔體滑動的兩種情形口模壁附近發(fā)生熔體滑動的兩種情形513 減輕畸變，提高熔體穩(wěn)定擠出速率的對策減輕畸變，提高熔體穩(wěn)定擠出速率的對策1）調(diào)節(jié)口模溫度場）調(diào)節(jié)口模溫度場 由于擠出畸變和熔體破裂是高分子液體彈性湍流行為的表現(xiàn)，因此由于擠出畸變和熔體破裂