高分子成型加工原理第二章塑料成型的理論基礎(chǔ)

1、第二章第二章 塑料成型的理論基礎(chǔ)塑料成型的理論基礎(chǔ)2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 聚合物的流變行為聚合物的流變行為2.3 2.3 聚合物的加熱與冷卻聚合物的加熱與冷卻2.4 2.4 聚合物的結(jié)晶聚合物的結(jié)晶2.5 2.5 成型過(guò)程中的定向作用成型過(guò)程中的定向作用2.6 2.6 聚合物的降解聚合物的降解2.7 2.7 聚合物的交聯(lián)聚合物的交聯(lián)JJJJJJJ2.1 2.1 概述概述塑料成型是將塑料塑料成型是將塑料( (聚合物及所需助劑聚合物及所需助劑) )轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)用材料或塑料制品的一門(mén)工程技術(shù)。為實(shí)用材料或塑料制品的一門(mén)工程技術(shù)。 本章內(nèi)容：聚合物在成型加工過(guò)程中表本章內(nèi)容：聚合物在成

2、型加工過(guò)程中表現(xiàn)的一些共同的基本物理和化學(xué)行為?，F(xiàn)的一些共同的基本物理和化學(xué)行為。 包括：流變、傳熱、結(jié)晶、定向、化學(xué)包括：流變、傳熱、結(jié)晶、定向、化學(xué)反應(yīng)等。反應(yīng)等。1.聚合物的可擠壓性聚合物的可擠壓性一、聚合物的加工性質(zhì)一、聚合物的加工性質(zhì) 可擠壓性是指聚合物通過(guò)擠壓作用形變時(shí)獲得一可擠壓性是指聚合物通過(guò)擠壓作用形變時(shí)獲得一定形狀并保持這種形狀的能力。定形狀并保持這種形狀的能力。在塑料成型過(guò)程中，常見(jiàn)的擠壓作用有物料在擠出機(jī)在塑料成型過(guò)程中，常見(jiàn)的擠壓作用有物料在擠出機(jī)和注射機(jī)料筒中、壓延機(jī)輥筒間以及在模具中所受到和注射機(jī)料筒中、壓延機(jī)輥筒間以及在模具中所受到的擠壓作用。的擠壓作用。 衡量

3、聚合物可擠壓性的物理量是熔體的衡量聚合物可擠壓性的物理量是熔體的粘度粘度(剪切剪切粘度和拉伸粘度粘度和拉伸粘度)。 聚合物的可擠壓性?xún)H與其聚合物的可擠壓性?xún)H與其分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)分子質(zhì)量和和組成組成有關(guān)，而且與有關(guān)，而且與溫度溫度、壓力壓力等成型條件有關(guān)。等成型條件有關(guān)。 評(píng)價(jià)聚合物擠壓性的方法，是測(cè)定聚合物的評(píng)價(jià)聚合物擠壓性的方法，是測(cè)定聚合物的流動(dòng)度流動(dòng)度( (粘度的倒數(shù)粘度的倒數(shù)) )，通常簡(jiǎn)便實(shí)用的方法是測(cè)定聚合物的熔，通常簡(jiǎn)便實(shí)用的方法是測(cè)定聚合物的熔體流動(dòng)速率；體流動(dòng)速率； 在給定溫度和給定剪切應(yīng)在給定溫度和給定剪切應(yīng)力力( (定負(fù)荷定負(fù)荷) )下，下，10min1

4、0min內(nèi)聚合物內(nèi)聚合物經(jīng)出料孔擠出的克數(shù)，以經(jīng)出料孔擠出的克數(shù)，以MFRMFR表示。表示。2.聚合物的可模塑性聚合物的可模塑性 聚合物在溫度和壓力作用下發(fā)生形變并在模具型聚合物在溫度和壓力作用下發(fā)生形變并在模具型腔中模制成型的能力，稱(chēng)為可模塑性。腔中模制成型的能力，稱(chēng)為可模塑性。 注射、擠出、模壓注射、擠出、模壓等成型方法對(duì)聚合物的可模塑等成型方法對(duì)聚合物的可模塑性性要求是要求是：能充滿(mǎn)模具型腔獲得制品所需尺寸精度，：能充滿(mǎn)模具型腔獲得制品所需尺寸精度，有一定的密實(shí)度，滿(mǎn)足制品合格的使用性能等。有一定的密實(shí)度，滿(mǎn)足制品合格的使用性能等。 可模塑性主要取決于聚合物本身的屬性可模塑性主要取決于聚

5、合物本身的屬性( (如流變性、如流變性、熱性能、物理力學(xué)性能以及熱固性塑料的化學(xué)反應(yīng)性熱性能、物理力學(xué)性能以及熱固性塑料的化學(xué)反應(yīng)性能等能等) )，工藝因素，工藝因素( (溫度、壓力、成型周期等溫度、壓力、成型周期等) )以及模具以及模具的結(jié)構(gòu)尺寸。的結(jié)構(gòu)尺寸。 聚合物的可模塑性通常用下圖所示的聚合物的可模塑性通常用下圖所示的螺旋流動(dòng)試驗(yàn)螺旋流動(dòng)試驗(yàn)來(lái)來(lái)判斷。判斷。 聚合物熔體在注射壓力作用下，由阿基米德螺旋形聚合物熔體在注射壓力作用下，由阿基米德螺旋形槽的模具的中部進(jìn)入，經(jīng)流動(dòng)而逐漸冷卻硬化為螺旋槽的模具的中部進(jìn)入，經(jīng)流動(dòng)而逐漸冷卻硬化為螺旋線(xiàn)以螺旋線(xiàn)的長(zhǎng)度來(lái)判斷聚合物流動(dòng)性的優(yōu)劣。線(xiàn)以螺旋

6、線(xiàn)的長(zhǎng)度來(lái)判斷聚合物流動(dòng)性的優(yōu)劣。 聚合物的可模塑性聚合物的可模塑性( (即即L L的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度) )與加工條件與加工條件P/ P/ tt有關(guān)，也與聚合物的流變性、熱性能有關(guān)，也與聚合物的流變性、熱性能HH有有關(guān)，還與螺槽的截面尺寸、形狀關(guān)，還與螺槽的截面尺寸、形狀(cd(cd2 2) )有關(guān)，有關(guān)，螺旋線(xiàn)愈螺旋線(xiàn)愈長(zhǎng)聚合物的流動(dòng)性愈好。長(zhǎng)聚合物的流動(dòng)性愈好。 螺旋流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的螺旋流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意義在于意義在于幫助人們了解聚合物的流變幫助人們了解聚合物的流變性質(zhì)，確定壓力、溫度、模塑周期等最佳工藝條件，反映性質(zhì)，確定壓力、溫度、模塑周期等最佳工藝條件，反映聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和配方中各助劑的成分和用量

7、以及模聚合物相對(duì)分子質(zhì)量和配方中各助劑的成分和用量以及模具結(jié)構(gòu)，尺寸對(duì)聚合物可模塑性的影響。具結(jié)構(gòu)，尺寸對(duì)聚合物可模塑性的影響。 為求得較好的可模塑性，要注意各影響因素之間的為求得較好的可模塑性，要注意各影響因素之間的相互匹配和相互制約的關(guān)系；在提高可模塑性的同時(shí)，相互匹配和相互制約的關(guān)系；在提高可模塑性的同時(shí)，要兼顧到諸因素對(duì)制品使用性能的影響。要兼顧到諸因素對(duì)制品使用性能的影響。壓力過(guò)高會(huì)引起溢料，壓力過(guò)高會(huì)引起溢料，壓力過(guò)低則充模不足成型困難；壓力過(guò)低則充模不足成型困難；溫度過(guò)高會(huì)使制品收縮率增大，溫度過(guò)高會(huì)使制品收縮率增大，甚至引起聚合物的分解，甚至引起聚合物的分解，溫度過(guò)低則物料流動(dòng)

8、困難，交聯(lián)溫度過(guò)低則物料流動(dòng)困難，交聯(lián)反應(yīng)不足，制品性能變劣。反應(yīng)不足，制品性能變劣。四條曲線(xiàn)所構(gòu)成的面積，才是模塑的最佳區(qū)域。四條曲線(xiàn)所構(gòu)成的面積，才是模塑的最佳區(qū)域。3.聚合物的可紡性聚合物的可紡性 常規(guī)的紡絲方法有三種，即常規(guī)的紡絲方法有三種，即熔體紡絲熔體紡絲、濕法紡絲濕法紡絲和和干法紡絲。干法紡絲。 聚合物的可紡性是指材料經(jīng)成型加工為連續(xù)的固聚合物的可紡性是指材料經(jīng)成型加工為連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。態(tài)纖維的能力。 可紡性主要取決于聚合物材料的可紡性主要取決于聚合物材料的流變性流變性，熔體粘熔體粘度度、拉伸比拉伸比、噴絲孔尺寸和形狀噴絲孔尺寸和形狀、擠出絲條與冷卻介擠出絲條與冷卻介質(zhì)之間

9、傳質(zhì)和傳熱速率、熔體的熱化學(xué)穩(wěn)定性等質(zhì)之間傳質(zhì)和傳熱速率、熔體的熱化學(xué)穩(wěn)定性等。當(dāng)熔體以速度當(dāng)熔體以速度從噴絲板毛細(xì)孔流出后，形成穩(wěn)定細(xì)流。從噴絲板毛細(xì)孔流出后，形成穩(wěn)定細(xì)流。細(xì)流的穩(wěn)定性可用下式表示：細(xì)流的穩(wěn)定性可用下式表示：可以看出，聚合物具有可紡性，在于其熔體粘度較高可以看出，聚合物具有可紡性，在于其熔體粘度較高(約約104Pas)、表面張力較小、表面張力較小(約為約為0.025Nm)所致。紡絲過(guò)所致。紡絲過(guò)程中，由于拉伸定向以及隨著冷卻作用而使熔體粘度增程中，由于拉伸定向以及隨著冷卻作用而使熔體粘度增大，都有利于大，都有利于拉絲熔體強(qiáng)度的提高拉絲熔體強(qiáng)度的提高，從而提高熔體細(xì)流，從而提

10、高熔體細(xì)流的穩(wěn)定性。的穩(wěn)定性。 在纖維工業(yè)中，還常用在纖維工業(yè)中，還常用拉伸比的最大值拉伸比的最大值表示材料的可表示材料的可紡性。紡性。4.聚合物的可延性聚合物的可延性 非晶或半結(jié)晶聚合物在受到非晶或半結(jié)晶聚合物在受到壓延壓延或或拉伸拉伸時(shí)變形的能時(shí)變形的能力稱(chēng)為可延性，利用聚合物的可延性，通過(guò)壓延和拉伸力稱(chēng)為可延性，利用聚合物的可延性，通過(guò)壓延和拉伸工藝可生產(chǎn)工藝可生產(chǎn)片材片材、薄膜薄膜和和纖維纖維。 聚合物的可延性取決于材料產(chǎn)生聚合物的可延性取決于材料產(chǎn)生塑性變形的能力塑性變形的能力和和應(yīng)變硬化作用。應(yīng)變硬化作用。 形變能力形變能力與固態(tài)聚合物的與固態(tài)聚合物的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和和柔性柔性(

11、內(nèi)因內(nèi)因)及及其所處的其所處的環(huán)境溫度環(huán)境溫度(外因外因)有關(guān)：而有關(guān)：而應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化作用則與聚作用則與聚合物的合物的取向取向程度有關(guān)。程度有關(guān)。等速拉伸條件下測(cè)得的非晶態(tài)聚等速拉伸條件下測(cè)得的非晶態(tài)聚合物拉伸斷裂狀態(tài)圖合物拉伸斷裂狀態(tài)圖2.2 2.2 聚合物的流變行為聚合物的流變行為2.2.1 2.2.1 概述概述2.2.2 2.2.2 剪切粘度和非牛頓流動(dòng)剪切粘度和非牛頓流動(dòng)2.2.3 2.2.3 拉伸粘度拉伸粘度2.2.4 2.2.4 溫度和壓力對(duì)粘度的影響溫度和壓力對(duì)粘度的影響2.2.5 2.2.5 彈性彈性2.2.6 2.2.6 流體在簡(jiǎn)單截面管道中的流動(dòng)流體在簡(jiǎn)單截面管道中的流

12、動(dòng)2.2.7 2.2.7 流動(dòng)的缺陷流動(dòng)的缺陷2.2.12.2.1 概述概述 聚合物在成型加工過(guò)程中的形變是由于外力作用的結(jié)果，聚合物在成型加工過(guò)程中的形變是由于外力作用的結(jié)果，材料受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應(yīng)力。材料受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應(yīng)力。隨受力方式的不同應(yīng)力通常有三種類(lèi)型：隨受力方式的不同應(yīng)力通常有三種類(lèi)型：剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力：拉伸應(yīng)力：拉伸應(yīng)力：流體靜壓力：流體靜壓力：P 材料受力后產(chǎn)生的形變和尺寸改變（即幾何形狀的改材料受力后產(chǎn)生的形變和尺寸改變（即幾何形狀的改變）稱(chēng)為應(yīng)變變）稱(chēng)為應(yīng)變。 在上述三種應(yīng)力作用下的應(yīng)變相應(yīng)為在上述三種應(yīng)力作用下的應(yīng)變相應(yīng)為簡(jiǎn)單的剪切簡(jiǎn)單的剪切、

13、簡(jiǎn)簡(jiǎn)單的拉伸單的拉伸和流體靜壓力的和流體靜壓力的均勻壓縮均勻壓縮。 聚合物加工時(shí)受到剪切力作用產(chǎn)生的流動(dòng)稱(chēng)為聚合物加工時(shí)受到剪切力作用產(chǎn)生的流動(dòng)稱(chēng)為剪切流剪切流動(dòng)動(dòng)。如：聚合物在擠出機(jī)、口模、注射機(jī)、噴嘴、流道等。如：聚合物在擠出機(jī)、口模、注射機(jī)、噴嘴、流道等中的流動(dòng)。中的流動(dòng)。 聚合物在加工過(guò)程中受到拉應(yīng)力作用引起的流動(dòng)稱(chēng)為聚合物在加工過(guò)程中受到拉應(yīng)力作用引起的流動(dòng)稱(chēng)為拉伸流動(dòng)拉伸流動(dòng)。如：拉幅生產(chǎn)薄膜、吹塑薄膜等。如：拉幅生產(chǎn)薄膜、吹塑薄膜等。 加工中流體靜壓力對(duì)流體流動(dòng)性質(zhì)的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)不加工中流體靜壓力對(duì)流體流動(dòng)性質(zhì)的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)不及前兩者顯著，但它對(duì)粘度有影響。及前兩者顯著，但它對(duì)粘

14、度有影響。 在實(shí)際加工過(guò)程中材料受力非常復(fù)雜，往往是三種簡(jiǎn)在實(shí)際加工過(guò)程中材料受力非常復(fù)雜，往往是三種簡(jiǎn)單應(yīng)力的組合。實(shí)際應(yīng)變也是多種應(yīng)變的迭加。單應(yīng)力的組合。實(shí)際應(yīng)變也是多種應(yīng)變的迭加。 加工過(guò)程中聚合物的加工過(guò)程中聚合物的流變性質(zhì)流變性質(zhì)主要表現(xiàn)為主要表現(xiàn)為粘粘度的變化，度的變化，所以聚合物流體的粘度及其變化是聚所以聚合物流體的粘度及其變化是聚合物加工過(guò)程最為重要的參數(shù)。合物加工過(guò)程最為重要的參數(shù)。 根據(jù)流動(dòng)過(guò)程聚合物粘度與應(yīng)力或應(yīng)變速率的根據(jù)流動(dòng)過(guò)程聚合物粘度與應(yīng)力或應(yīng)變速率的關(guān)系，可以將關(guān)系，可以將聚合物的流動(dòng)行為分為兩大類(lèi)：聚合物的流動(dòng)行為分為兩大類(lèi)：（）牛頓流體牛頓流體，其流動(dòng)行為

15、稱(chēng)為牛頓型流動(dòng)；，其流動(dòng)行為稱(chēng)為牛頓型流動(dòng)；（）非牛頓流體非牛頓流體，其流動(dòng)行為稱(chēng)為非牛頓型流動(dòng)。，其流動(dòng)行為稱(chēng)為非牛頓型流動(dòng)。2.2.2 2.2.2 剪切粘度和非牛頓流動(dòng)剪切粘度和非牛頓流動(dòng)一、基本流動(dòng)類(lèi)型一、基本流動(dòng)類(lèi)型 聚合物流體由于在成型條件下的流速、外部作用力形式、聚合物流體由于在成型條件下的流速、外部作用力形式、流道幾何形狀和熱量傳遞等情況的不同，可表現(xiàn)出不同的流流道幾何形狀和熱量傳遞等情況的不同，可表現(xiàn)出不同的流動(dòng)類(lèi)型動(dòng)類(lèi)型。 （1）層流流體流動(dòng)的特點(diǎn)：）層流流體流動(dòng)的特點(diǎn)： 液體主體的流動(dòng)是按照許多彼此液體主體的流動(dòng)是按照許多彼此平行的流層平行的流層進(jìn)行的；進(jìn)行的； 同一流層之

16、間的各點(diǎn)同一流層之間的各點(diǎn)速度彼此相同速度彼此相同； 各層之間的速度不一定相等，各層之間各層之間的速度不一定相等，各層之間無(wú)可見(jiàn)的擾動(dòng)無(wú)可見(jiàn)的擾動(dòng)。 低分子液體：低分子液體： 23002100ReD聚合物流體的粘度大，流速低，聚合物流體的粘度大，流速低，Re4000 聚合物流體和聚合物分散體的流動(dòng)聚合物流體和聚合物分散體的流動(dòng) Re2300，因此為層，因此為層流。流。 如果如果聚合物流體在成型加工過(guò)程中，表現(xiàn)的流動(dòng)行為不聚合物流體在成型加工過(guò)程中，表現(xiàn)的流動(dòng)行為不遵從牛頓流動(dòng)定律，稱(chēng)為遵從牛頓流動(dòng)定律，稱(chēng)為非牛頓型流體非牛頓型流體，其流動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力，其流動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力和剪切速率的比值稱(chēng)為和剪切速

17、率的比值稱(chēng)為表觀粘度表觀粘度a。2、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，是指流體的流動(dòng)狀況不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，是指流體的流動(dòng)狀況不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)流動(dòng)，其，其主要特征主要特征是引起流動(dòng)的力與流體的粘性阻力相是引起流動(dòng)的力與流體的粘性阻力相平衡，即流體的溫度、壓力、流動(dòng)速度、速度分布和剪平衡，即流體的溫度、壓力、流動(dòng)速度、速度分布和剪切應(yīng)變等都不隨時(shí)間而變化。切應(yīng)變等都不隨時(shí)間而變化。反之，反之，流體的流動(dòng)狀況隨時(shí)間面變化者就稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)流流體的流動(dòng)狀況隨時(shí)間面變化者就稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。動(dòng)。 聚合物熔體是一粘彈性流體，在彈性形變達(dá)到平衡聚合物熔體是一粘彈性流體，在彈性形變達(dá)

18、到平衡之前，總形變速率由大到小變化，呈非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；而在之前，總形變速率由大到小變化，呈非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；而在彈性變形達(dá)到平衡后，就只有粘性形變隨時(shí)間延長(zhǎng)而均彈性變形達(dá)到平衡后，就只有粘性形變隨時(shí)間延長(zhǎng)而均衡地發(fā)展，流動(dòng)即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。衡地發(fā)展，流動(dòng)即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 對(duì)聚合物流體流變性的研究，一般都假定是在穩(wěn)態(tài)對(duì)聚合物流體流變性的研究，一般都假定是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的。條件下進(jìn)行的。非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型3、等溫流動(dòng)和非等溫流動(dòng)、等溫流動(dòng)和非等溫流動(dòng) 等溫流動(dòng)等溫流動(dòng)，是指在，是指在流體各處的溫度保持不變流體各處的溫度保持不變情況下的情況下的流動(dòng)。在等溫流動(dòng)的情況下，流體與外界可以進(jìn)行熱量傳流動(dòng)。在等溫流動(dòng)的情

19、況下，流體與外界可以進(jìn)行熱量傳遞，但傳入和傳出的熱量應(yīng)保持相等。遞，但傳入和傳出的熱量應(yīng)保持相等。 在塑料成型的實(shí)際條件下，聚合物流體的流動(dòng)一般均在塑料成型的實(shí)際條件下，聚合物流體的流動(dòng)一般均呈現(xiàn)非等溫狀態(tài)。呈現(xiàn)非等溫狀態(tài)。4、拉伸流動(dòng)和剪切流動(dòng)、拉伸流動(dòng)和剪切流動(dòng) 質(zhì)點(diǎn)速度僅沿流動(dòng)方向發(fā)生變質(zhì)點(diǎn)速度僅沿流動(dòng)方向發(fā)生變化，如圖化，如圖22（a）所示，稱(chēng)為拉伸）所示，稱(chēng)為拉伸流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)速度僅沿與流動(dòng)方向垂流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)速度僅沿與流動(dòng)方向垂直的方向發(fā)生變化，如圖直的方向發(fā)生變化，如圖22(b)所所示，稱(chēng)為剪切流動(dòng)。示，稱(chēng)為剪切流動(dòng)。剪切流動(dòng)5、一維流動(dòng)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng)、一維流動(dòng)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng)

20、 在在一維流動(dòng)一維流動(dòng)中，流體中，流體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的速度僅在一個(gè)方向上內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的速度僅在一個(gè)方向上變化變化，即在流通截面上任何一點(diǎn)的速度只需用一個(gè)垂直，即在流通截面上任何一點(diǎn)的速度只需用一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的坐標(biāo)表示。于流動(dòng)方向的坐標(biāo)表示。例如，聚合物流體在等截面圓管內(nèi)作層狀流動(dòng)時(shí)其速度例如，聚合物流體在等截面圓管內(nèi)作層狀流動(dòng)時(shí)其速度分布僅是圓管半徑的函數(shù)，是一種典型的一維流動(dòng)。分布僅是圓管半徑的函數(shù)，是一種典型的一維流動(dòng)。 在在二維流動(dòng)二維流動(dòng)中流道截面上中流道截面上各點(diǎn)的速度需要用兩個(gè)各點(diǎn)的速度需要用兩個(gè)垂直于流動(dòng)方向的坐標(biāo)表示垂直于流動(dòng)方向的坐標(biāo)表示。流體在矩形截面通道中流。流體在矩形截面通道中流

21、動(dòng)時(shí)，其流速在通道的高度和寬度兩個(gè)方向上均發(fā)生變動(dòng)時(shí)，其流速在通道的高度和寬度兩個(gè)方向上均發(fā)生變化，是典型的化，是典型的二維流動(dòng)二維流動(dòng)。 流體在錐形或其它截面呈逐漸縮小形狀通道中的流體在錐形或其它截面呈逐漸縮小形狀通道中的流動(dòng)，其流動(dòng)，其質(zhì)點(diǎn)的速度不僅沿通道截面縱橫兩個(gè)方向變質(zhì)點(diǎn)的速度不僅沿通道截面縱橫兩個(gè)方向變化，而且也沿主流動(dòng)方向變化化，而且也沿主流動(dòng)方向變化，即流體的流速要用三，即流體的流速要用三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)表示，因而稱(chēng)為個(gè)相互垂直的坐標(biāo)表示，因而稱(chēng)為三維流動(dòng)三維流動(dòng)。二、非牛頓型流體二、非牛頓型流體1、粘性系統(tǒng)、粘性系統(tǒng) 不同類(lèi)型流體粘性不同類(lèi)型流體粘性流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)時(shí)的隨隨 變化

22、的關(guān)變化的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為流動(dòng)曲線(xiàn)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為流動(dòng)曲線(xiàn)或流變曲線(xiàn)。或流變曲線(xiàn)。 粘性系統(tǒng)在受到外粘性系統(tǒng)在受到外力作用而發(fā)生流動(dòng)時(shí)的力作用而發(fā)生流動(dòng)時(shí)的特性是：特性是：其剪切速率只其剪切速率只依賴(lài)于所施加剪切應(yīng)力依賴(lài)于所施加剪切應(yīng)力的大小。的大小。（1）賓漢流體）賓漢流體 與牛頓流體相比，剪切應(yīng)力與剪切速率之間也呈線(xiàn)性關(guān)系。但此與牛頓流體相比，剪切應(yīng)力與剪切速率之間也呈線(xiàn)性關(guān)系。但此直線(xiàn)的起始點(diǎn)存在屈服應(yīng)力直線(xiàn)的起始點(diǎn)存在屈服應(yīng)力，只有當(dāng)剪切應(yīng)力高于，只有當(dāng)剪切應(yīng)力高于時(shí)，賓漢流體才時(shí)，賓漢流體才開(kāi)始流動(dòng)。開(kāi)始流動(dòng)。流動(dòng)方程：流動(dòng)方程：drdppy為賓漢粘度，為賓漢粘度，也稱(chēng)剛度系數(shù)。也稱(chēng)剛度系

23、數(shù)。p當(dāng)當(dāng) y時(shí)，呈現(xiàn)流動(dòng)行為。時(shí)，呈現(xiàn)流動(dòng)行為。如：牙膏、油漆、潤(rùn)滑脂、泥漿、下水污泥、聚合物濃溶液、凝膠性如：牙膏、油漆、潤(rùn)滑脂、泥漿、下水污泥、聚合物濃溶液、凝膠性糊塑料等。糊塑料等。 賓漢流體因流動(dòng)而產(chǎn)生的形變完全不能恢復(fù)而作為永久變形保存賓漢流體因流動(dòng)而產(chǎn)生的形變完全不能恢復(fù)而作為永久變形保存下來(lái)，即這種流動(dòng)變形具有典型塑性形變的特征，故又常將賓漢流體下來(lái)，即這種流動(dòng)變形具有典型塑性形變的特征，故又常將賓漢流體稱(chēng)為稱(chēng)為塑性流體塑性流體。（2）假塑性流體）假塑性流體 非牛頓流體中最為普通的一種。非牛頓流體中最為普通的一種。 流動(dòng)曲線(xiàn)：流動(dòng)曲線(xiàn)：流動(dòng)曲線(xiàn)不是直線(xiàn)，而是一條斜率先迅速變流動(dòng)

24、曲線(xiàn)不是直線(xiàn)，而是一條斜率先迅速變大而后又逐漸變小的曲線(xiàn)，而且不存在屈服應(yīng)力。大而后又逐漸變小的曲線(xiàn)，而且不存在屈服應(yīng)力。流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低。即：流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低。即：剪切變稀。剪切變稀。如：橡膠、絕大多數(shù)聚合物、塑料的熔體和溶液。如：橡膠、絕大多數(shù)聚合物、塑料的熔體和溶液。（3）膨脹性流體）膨脹性流體 流動(dòng)曲線(xiàn)：流動(dòng)曲線(xiàn)：非直線(xiàn)的非直線(xiàn)的 ，斜率先逐漸變小而后又逐漸變斜率先逐漸變小而后又逐漸變大的曲線(xiàn)，大的曲線(xiàn)，也不存在屈服應(yīng)力。也不存在屈服應(yīng)力。表觀粘度會(huì)隨剪切應(yīng)力的增加而上升。即：表觀粘度會(huì)隨剪切應(yīng)力的增加而上升。即：剪切變稠。剪切變稠。如：固體含量

25、高的懸浮液、較高剪切速率下的如：固體含量高的懸浮液、較高剪切速率下的PVCPVC糊塑料。糊塑料。膨脹性流體（4）冪律函數(shù)方程）冪律函數(shù)方程 描述假塑性和膨脹性的非牛頓流體的流變行為，可用下描述假塑性和膨脹性的非牛頓流體的流變行為，可用下式描述：式描述：nkk：流體稠度：流體稠度n：流動(dòng)行為指數(shù)：流動(dòng)行為指數(shù) ,是判斷這種是判斷這種流體與牛頓型流體流動(dòng)行為差流體與牛頓型流體流動(dòng)行為差別大小的參數(shù)別大小的參數(shù)k值越大，流體越粘稠；值越大，流體越粘稠；n值離值離1越遠(yuǎn)，呈非牛頓性越明顯。越遠(yuǎn)，呈非牛頓性越明顯。 假塑性流體：假塑性流體：n1drdnk)(1nkanak則令,1 a為非牛頓型流體的為非

26、牛頓型流體的表觀粘度表觀粘度，單位，單位Pa.s。 顯然：在給定溫度和壓力下，對(duì)于非牛頓型流體，顯然：在給定溫度和壓力下，對(duì)于非牛頓型流體， a不不是常量，與剪切速率有關(guān)。是常量，與剪切速率有關(guān)。對(duì)于牛頓流體：對(duì)于牛頓流體： a 冪律方程的另外一種變換形式：冪律方程的另外一種變換形式：nnk11)1(mmn1k1k1k1n1m）（），則（令mmk1，則又令：流動(dòng)度，流動(dòng)常數(shù)，：流動(dòng)度，流動(dòng)常數(shù)，值愈小表明流體愈粘稠；值愈小表明流體愈粘稠；m：流動(dòng)指數(shù)的倒數(shù)。：流動(dòng)指數(shù)的倒數(shù)。 稠度稠度k和流動(dòng)指數(shù)和流動(dòng)指數(shù)n與溫度有關(guān)。稠度可隨溫度的增加與溫度有關(guān)。稠度可隨溫度的增加而減小，流動(dòng)指數(shù)而減小，流

27、動(dòng)指數(shù)n值隨溫度升高而增大。值隨溫度升高而增大。（5）聚合物流體的普適切變流動(dòng)曲線(xiàn)）聚合物流體的普適切變流動(dòng)曲線(xiàn) 前述非牛頓型聚合物流體流變行為的討論僅局限于剪前述非牛頓型聚合物流體流變行為的討論僅局限于剪切速率范圍較小的情況，而在寬廣的剪切速率范圍內(nèi)聚合切速率范圍較小的情況，而在寬廣的剪切速率范圍內(nèi)聚合物流體的物流體的關(guān)系與前述之情況并不相同。在寬廣剪切關(guān)系與前述之情況并不相同。在寬廣剪切速率范圍內(nèi)經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到的聚合物流體的典型流動(dòng)曲線(xiàn)如圖速率范圍內(nèi)經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到的聚合物流體的典型流動(dòng)曲線(xiàn)如圖2525所示。所示。 由圖看出，在很低的剪由圖看出，在很低的剪切速率內(nèi)，剪切應(yīng)力隨剪切切速率內(nèi)，剪切應(yīng)力隨

28、剪切速率的增大而快速地直線(xiàn)上速率的增大而快速地直線(xiàn)上升，當(dāng)剪切速率增大到一定升，當(dāng)剪切速率增大到一定值后，剪切應(yīng)力隨剪切速率值后，剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而上升的速率變小。但增大而上升的速率變小。但當(dāng)剪切速率增大到很高值的當(dāng)剪切速率增大到很高值的范圍時(shí)，剪切應(yīng)力又隨剪切范圍時(shí)，剪切應(yīng)力又隨剪切速率的增大而直線(xiàn)上升。速率的增大而直線(xiàn)上升。 可將聚合物流體在寬廣剪切速率范圍內(nèi)測(cè)得的流動(dòng)曲可將聚合物流體在寬廣剪切速率范圍內(nèi)測(cè)得的流動(dòng)曲線(xiàn)劃分為三個(gè)流動(dòng)區(qū)：線(xiàn)劃分為三個(gè)流動(dòng)區(qū)：第一流動(dòng)區(qū)，第一流動(dòng)區(qū)，也稱(chēng)第一牛頓區(qū)或低剪切牛頓區(qū)。也稱(chēng)第一牛頓區(qū)或低剪切牛頓區(qū)。該區(qū)的流動(dòng)行為與牛頓型流體相近；該區(qū)的流動(dòng)行為

29、與牛頓型流體相近；有恒定的粘度，而且粘度值在三個(gè)區(qū)中為最大。有恒定的粘度，而且粘度值在三個(gè)區(qū)中為最大。 零切粘度或第一牛頓粘度，多以符號(hào)零切粘度或第一牛頓粘度，多以符號(hào)0 0表示。表示。 糊塑料的刮涂與蘸浸操作大多在第一牛頓區(qū)所對(duì)應(yīng)的糊塑料的刮涂與蘸浸操作大多在第一牛頓區(qū)所對(duì)應(yīng)的 剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)行。剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)行。第二流動(dòng)區(qū)，第二流動(dòng)區(qū)，也稱(chēng)假塑性區(qū)或非牛頓區(qū)。也稱(chēng)假塑性區(qū)或非牛頓區(qū)。聚合物流體在這一區(qū)的剪切速率范圍內(nèi)的流動(dòng)與假塑聚合物流體在這一區(qū)的剪切速率范圍內(nèi)的流動(dòng)與假塑性流體的流變行為相近；性流體的流變行為相近；表觀粘度應(yīng)隨剪切速率的增大而減小，這種現(xiàn)象常稱(chēng)表觀粘度應(yīng)隨剪切速率的增

30、大而減小，這種現(xiàn)象常稱(chēng)為為“切力變稀切力變稀”。在剪切速率變化不大的區(qū)段內(nèi)仍可將流動(dòng)曲線(xiàn)當(dāng)作直在剪切速率變化不大的區(qū)段內(nèi)仍可將流動(dòng)曲線(xiàn)當(dāng)作直線(xiàn)處理。線(xiàn)處理。塑料的主要成型技術(shù)多在這一流動(dòng)區(qū)所對(duì)應(yīng)的剪切速率范圍塑料的主要成型技術(shù)多在這一流動(dòng)區(qū)所對(duì)應(yīng)的剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)行成型操作。內(nèi)進(jìn)行成型操作。第三流動(dòng)區(qū)，第三流動(dòng)區(qū)，也稱(chēng)第二牛頓區(qū)或高剪切牛頓區(qū)。也稱(chēng)第二牛頓區(qū)或高剪切牛頓區(qū)。大多數(shù)聚合物流體的粘度再次表現(xiàn)出不依賴(lài)剪切速率而大多數(shù)聚合物流體的粘度再次表現(xiàn)出不依賴(lài)剪切速率而為恒定值的特性。為恒定值的特性。聚合物流體在這一區(qū)具有最小粘度值，常稱(chēng)為聚合物流體在這一區(qū)具有最小粘度值，常稱(chēng)為第二牛頓第二牛頓

31、粘度或極限粘度粘度或極限粘度，以符號(hào)，以符號(hào)表示。表示。塑料成型極少在這一流動(dòng)區(qū)所對(duì)應(yīng)的剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)塑料成型極少在這一流動(dòng)區(qū)所對(duì)應(yīng)的剪切速率范圍內(nèi)進(jìn)行。行。（6）熱固性聚合物的流變特性）熱固性聚合物的流變特性 熱固性聚合物在成型過(guò)程中的粘度變化規(guī)律與熱熱固性聚合物在成型過(guò)程中的粘度變化規(guī)律與熱塑性聚合物有本質(zhì)上的不同。塑性聚合物有本質(zhì)上的不同。溫度的影響：溫度的影響：實(shí)現(xiàn)熔融、流動(dòng)、變形實(shí)現(xiàn)熔融、流動(dòng)、變形以及以及取得制品所需形狀等物理作用，取得制品所需形狀等物理作用，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)并最終完成制并最終完成制品的固化。品的固化。固化后固化后無(wú)無(wú)再次熔融、流動(dòng)和再次熔融、流動(dòng)和借助加

32、熱而借助加熱而改變形狀的能力改變形狀的能力。剪切速率的影響：剪切速率的影響： 剪切作用可增加活性基團(tuán)和活性點(diǎn)間的碰撞機(jī)會(huì)，有利于降剪切作用可增加活性基團(tuán)和活性點(diǎn)間的碰撞機(jī)會(huì)，有利于降低反應(yīng)活化能，故可增大交聯(lián)反應(yīng)的速度低反應(yīng)活化能，故可增大交聯(lián)反應(yīng)的速度，這將使熔體的粘度隨，這將使熔體的粘度隨之增大。加之，大多數(shù)交聯(lián)反應(yīng)都明顯放熱，反應(yīng)熱引起的系統(tǒng)之增大。加之，大多數(shù)交聯(lián)反應(yīng)都明顯放熱，反應(yīng)熱引起的系統(tǒng)溫度升高也對(duì)交聯(lián)固化過(guò)程有加速作用，這又導(dǎo)致粘度的更迅速溫度升高也對(duì)交聯(lián)固化過(guò)程有加速作用，這又導(dǎo)致粘度的更迅速增大。增大。受熱時(shí)間的影響：受熱時(shí)間的影響： 流度隨受熱時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，即熱固性

33、聚合物在完全熔融流度隨受熱時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，即熱固性聚合物在完全熔融后其后其熔體的流動(dòng)性或流動(dòng)速度均隨受熱時(shí)間延長(zhǎng)而降低熔體的流動(dòng)性或流動(dòng)速度均隨受熱時(shí)間延長(zhǎng)而降低。為流度，是粘度的倒數(shù)；為流度，是粘度的倒數(shù)；AA和和a a均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；t t為受熱時(shí)間為受熱時(shí)間交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行的程度交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行的程度 加熱初期熱固性聚合物加熱初期熱固性聚合物粘度的急劇減小或流動(dòng)性的粘度的急劇減小或流動(dòng)性的明顯增大是由于在交聯(lián)反明顯增大是由于在交聯(lián)反應(yīng)尚未發(fā)生之前加熱使聚合應(yīng)尚未發(fā)生之前加熱使聚合物分子活動(dòng)性迅速增大的結(jié)物分子活動(dòng)性迅速增大的結(jié)果。在流動(dòng)性達(dá)到最大值后果。在流動(dòng)性達(dá)到最大值后的一段長(zhǎng)

34、時(shí)間內(nèi)，由于交聯(lián)的一段長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于交聯(lián)反應(yīng)的速度還很低使體系的反應(yīng)的速度還很低使體系的流動(dòng)性隨時(shí)間的變化不大。流動(dòng)性隨時(shí)間的變化不大。此后，當(dāng)交聯(lián)反應(yīng)以較高的此后，當(dāng)交聯(lián)反應(yīng)以較高的速度進(jìn)行時(shí)，隨交聯(lián)固化程速度進(jìn)行時(shí)，隨交聯(lián)固化程度的增大，體系粘度急劇增度的增大，體系粘度急劇增大而流動(dòng)性迅速降低。大而流動(dòng)性迅速降低。固化時(shí)間來(lái)表征：固化時(shí)間來(lái)表征： 熱固性聚合物熔體流動(dòng)性降低到某一指定值所需之固化時(shí)間熱固性聚合物熔體流動(dòng)性降低到某一指定值所需之固化時(shí)間與溫度的關(guān)系可表示為：與溫度的關(guān)系可表示為： 一些成型技術(shù)中一些成型技術(shù)中將熱固性塑料的塑化將熱固性塑料的塑化和塑化料取得模腔形和塑化料取得模

35、腔形狀后的定型采用不同狀后的定型采用不同加熱溫度的原因。例加熱溫度的原因。例如，熱固性塑料注塑如，熱固性塑料注塑時(shí)，時(shí)，料筒的加熱應(yīng)控料筒的加熱應(yīng)控制在使物料塑化后能制在使物料塑化后能達(dá)到最低粘度而不會(huì)達(dá)到最低粘度而不會(huì)發(fā)生明顯交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生明顯交聯(lián)反應(yīng)的溫度溫度，而，而模具的加熱模具的加熱溫度則應(yīng)保證成型物溫度則應(yīng)保證成型物在最短的時(shí)間內(nèi)固化在最短的時(shí)間內(nèi)固化定型。定型。2. 有時(shí)間依賴(lài)性的系統(tǒng)有時(shí)間依賴(lài)性的系統(tǒng) 這類(lèi)液體的流變特征除與剪切速率與剪切應(yīng)力的大小有這類(lèi)液體的流變特征除與剪切速率與剪切應(yīng)力的大小有關(guān)外，還與施加應(yīng)力的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，即在恒溫、恒剪切關(guān)外，還與施加應(yīng)力的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，

36、即在恒溫、恒剪切力作用下，表觀粘度隨所施應(yīng)力持續(xù)時(shí)間而變化力作用下，表觀粘度隨所施應(yīng)力持續(xù)時(shí)間而變化(增大或減增大或減小，前者為震凝液體，后者為觸變性液體小，前者為震凝液體，后者為觸變性液體)，直至達(dá)到平衡，直至達(dá)到平衡為止。為止。（1）搖溶性（或觸變性）流體）搖溶性（或觸變性）流體 表觀粘度隨剪切應(yīng)力持續(xù)時(shí)間而下降的流體。如：表觀粘度隨剪切應(yīng)力持續(xù)時(shí)間而下降的流體。如：涂料、油墨。涂料、油墨。（2）震凝性流體）震凝性流體 表觀粘度隨剪切應(yīng)力持續(xù)時(shí)間上升的流體。如：石膏表觀粘度隨剪切應(yīng)力持續(xù)時(shí)間上升的流體。如：石膏水溶液。水溶液。 通常所見(jiàn)的塑料熔體粘度范圍為：通常所見(jiàn)的塑料熔體粘度范圍為：1

37、0107Pa.s，分散，分散體的粘度約在體的粘度約在1Pa.s左右。左右。2.2.3 拉伸粘度拉伸粘度 如果引起流動(dòng)的應(yīng)力是拉伸應(yīng)力，則：如果引起流動(dòng)的應(yīng)力是拉伸應(yīng)力，則：拉伸粘度拉伸粘度: ：拉伸應(yīng)變速率：拉伸應(yīng)變速率：拉伸應(yīng)力或真實(shí)應(yīng)力：拉伸應(yīng)力或真實(shí)應(yīng)力拉伸應(yīng)變：拉伸應(yīng)變：0ln0llldlll拉伸應(yīng)變速率：拉伸應(yīng)變速率：00lnlddldlldtdtldt所以：剪切流動(dòng)與拉伸流動(dòng)是有區(qū)別的。所以：剪切流動(dòng)與拉伸流動(dòng)是有區(qū)別的。l 拉伸粘度隨拉應(yīng)力方向（單向或雙向）而不同。拉伸粘度隨拉應(yīng)力方向（單向或雙向）而不同。剪切流動(dòng)與拉伸流動(dòng)的區(qū)別：剪切流動(dòng)與拉伸流動(dòng)的區(qū)別：l 剪切流動(dòng)是流體中一

38、個(gè)平面在另一個(gè)平面的滑剪切流動(dòng)是流體中一個(gè)平面在另一個(gè)平面的滑 動(dòng)；動(dòng)；拉伸流動(dòng)則是一個(gè)平面兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間距離的拉長(zhǎng)。拉伸流動(dòng)則是一個(gè)平面兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間距離的拉長(zhǎng)。l 拉伸粘度隨拉伸應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)與假塑性流拉伸粘度隨拉伸應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)與假塑性流體有所不同。拉伸粘度與拉伸應(yīng)變速率關(guān)系的復(fù)雜性體有所不同。拉伸粘度與拉伸應(yīng)變速率關(guān)系的復(fù)雜性和多樣性。和多樣性。1、溫度對(duì)剪切粘度的影響、溫度對(duì)剪切粘度的影響 對(duì)于處于粘流溫度以上的聚合物，很多研究結(jié)果表明：對(duì)于處于粘流溫度以上的聚合物，很多研究結(jié)果表明：熱塑性聚合物熔體的粘度隨熱塑性聚合物熔體的粘度隨溫度升高而呈指數(shù)函數(shù)的方式降溫度升高而呈指數(shù)函數(shù)的方

39、式降低。低。)(00TTae ：流體在：流體在T T 時(shí)的剪切粘度時(shí)的剪切粘度0 0 ：某一基準(zhǔn)溫度某一基準(zhǔn)溫度T T0 0 時(shí)的粘度時(shí)的粘度 a a：常數(shù)：常數(shù)2.2.4 溫度和壓力對(duì)粘度的影響溫度和壓力對(duì)粘度的影響 在給定剪切速率下，聚合物的粘度主要取決于在給定剪切速率下，聚合物的粘度主要取決于實(shí)現(xiàn)分實(shí)現(xiàn)分子位移和鏈段協(xié)同躍遷的能力子位移和鏈段協(xié)同躍遷的能力以及在躍遷鏈段的周?chē)欠褚约霸谲S遷鏈段的周?chē)欠裼锌梢越蛹{它躍入的空間有可以接納它躍入的空間(自由體積自由體積)兩個(gè)因素，凡能引起鏈兩個(gè)因素，凡能引起鏈段躍遷能力和自由體積增加的因素，都能導(dǎo)致聚合物熔體段躍遷能力和自由體積增加的因素，都

40、能導(dǎo)致聚合物熔體粘度下降。粘度下降。 聚合物分子表觀粘度對(duì)溫度的敏感性與聚合物分子表觀粘度對(duì)溫度的敏感性與聚合物聚合物分子鏈剛性分子鏈剛性、分子間引力分子間引力、分子量及分子量及其分布有關(guān)。其分布有關(guān)。 在成型操作中，只要不超過(guò)分解溫度，在成型操作中，只要不超過(guò)分解溫度，提高加工溫度對(duì)表觀粘度的溫度敏感性大的提高加工溫度對(duì)表觀粘度的溫度敏感性大的聚合物來(lái)說(shuō)，都會(huì)增大其流動(dòng)性。聚合物來(lái)說(shuō)，都會(huì)增大其流動(dòng)性。如：如：PMMAPMMA、PCPC、PA-66PA-66等等大幅度增加溫度，不但會(huì)引起聚合物熱降解，大幅度增加溫度，不但會(huì)引起聚合物熱降解，降低制品質(zhì)量，而且對(duì)成型設(shè)備的損耗也較降低制品質(zhì)量，

41、而且對(duì)成型設(shè)備的損耗也較大，并且會(huì)惡化工作條件。大，并且會(huì)惡化工作條件。2、壓力對(duì)剪切粘度的影響壓力對(duì)剪切粘度的影響 聚合物由于具有聚合物由于具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和和分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)，產(chǎn)生空洞較多，即所謂的生空洞較多，即所謂的“自由體積自由體積”。所以在加。所以在加工溫度下的壓縮性比普通流體大得多。工溫度下的壓縮性比普通流體大得多。 聚合物在高壓下體積收縮，聚合物在高壓下體積收縮，自由體積減小自由體積減小，分子間距離縮短，鏈段活動(dòng)范圍減小，分子間作分子間距離縮短，鏈段活動(dòng)范圍減小，分子間作用力增大，用力增大，粘度增大粘度增大。)(00ppbppe b：壓力系數(shù)：壓力系數(shù) 單純通過(guò)壓力來(lái)

42、提高聚合物單純通過(guò)壓力來(lái)提高聚合物的流動(dòng)性是不恰當(dāng)?shù)?。過(guò)大的壓的流動(dòng)性是不恰當(dāng)?shù)?。過(guò)大的壓力會(huì)造成功率消耗過(guò)大和設(shè)備的力會(huì)造成功率消耗過(guò)大和設(shè)備的磨損，甚至使塑料熔體變得象固磨損，甚至使塑料熔體變得象固體而不能流動(dòng)，不易成型。體而不能流動(dòng)，不易成型。 對(duì)聚合物流體而言，壓力的增加相當(dāng)于溫度的對(duì)聚合物流體而言，壓力的增加相當(dāng)于溫度的降低。稱(chēng)為降低。稱(chēng)為“壓力壓力-溫度等效性溫度等效性” 利用換算因子來(lái)確定產(chǎn)生同樣熔體粘度所施加利用換算因子來(lái)確定產(chǎn)生同樣熔體粘度所施加的壓力相當(dāng)?shù)臏亟?。的壓力相?dāng)?shù)臏亟怠?(PT換算因子：換算因子： 一般地：帶有體積龐大的苯基的高聚物，分子一般地：帶有體積龐大的苯基

43、的高聚物，分子量較大、密度較低的，其粘度受壓力的影響較大。量較大、密度較低的，其粘度受壓力的影響較大。23910C/大氣壓 大多數(shù)聚合物在流動(dòng)中除表現(xiàn)出粘性行為外，大多數(shù)聚合物在流動(dòng)中除表現(xiàn)出粘性行為外，還不同程度地表現(xiàn)出彈性行為。還不同程度地表現(xiàn)出彈性行為。2.2.5 彈性彈性 聚合物熔體在流動(dòng)時(shí)，由于大分子構(gòu)象的變化，聚合物熔體在流動(dòng)時(shí)，由于大分子構(gòu)象的變化，產(chǎn)生可回復(fù)的彈性形變，因而發(fā)生了彈性效應(yīng)。產(chǎn)生可回復(fù)的彈性形變，因而發(fā)生了彈性效應(yīng)。如：如：出模膨脹出模膨脹 因?yàn)橐驗(yàn)榫酆衔锶垠w彈性形變的實(shí)質(zhì)聚合物熔體彈性形變的實(shí)質(zhì)是大分子長(zhǎng)鏈?zhǔn)谴蠓肿娱L(zhǎng)鏈的彎曲和延伸，應(yīng)力解除后，這種彎曲和延伸的回

44、的彎曲和延伸，應(yīng)力解除后，這種彎曲和延伸的回復(fù)需要克服內(nèi)在的粘性阻滯。因此，這種回復(fù)不是復(fù)需要克服內(nèi)在的粘性阻滯。因此，這種回復(fù)不是瞬間完成的。瞬間完成的。 所以：在聚合物加工過(guò)程中的彈性形變及其隨所以：在聚合物加工過(guò)程中的彈性形變及其隨后的回復(fù)，對(duì)制品的外觀、尺寸、產(chǎn)量和質(zhì)量都有后的回復(fù)，對(duì)制品的外觀、尺寸、產(chǎn)量和質(zhì)量都有重要影響。重要影響。 聚合物熔體隨所受壓力不同而表現(xiàn)的彈性也有聚合物熔體隨所受壓力不同而表現(xiàn)的彈性也有剪切和拉伸等的區(qū)別。剪切和拉伸等的區(qū)別。1、剪切彈性剪切彈性 凡彈性模量大的凡彈性模量大的材料，受力時(shí)其彈性材料，受力時(shí)其彈性形變就小，其彈性行形變就小，其彈性行為對(duì)聚合物

45、加工影響為對(duì)聚合物加工影響也小。也小。 絕大多數(shù)聚合物絕大多數(shù)聚合物熔體的剪切模量在定熔體的剪切模量在定溫下都是隨應(yīng)力的增溫下都是隨應(yīng)力的增大而上升的。大而上升的。RG ：剪切應(yīng)力：剪切應(yīng)力R：剪切彈性變形：剪切彈性變形 G：剪切彈性模量：剪切彈性模量 溫度、壓力和相對(duì)分子量對(duì)聚合物熔體的剪切溫度、壓力和相對(duì)分子量對(duì)聚合物熔體的剪切彈性模量的影響都很有限，彈性模量的影響都很有限，影響比較顯著的是相對(duì)影響比較顯著的是相對(duì)分子量分子量。相對(duì)分子量分布寬的具有較小的模量和大。相對(duì)分子量分布寬的具有較小的模量和大而緩的彈性回復(fù)，相對(duì)分子量分布窄的則相反。而緩的彈性回復(fù)，相對(duì)分子量分布窄的則相反。 盡管

46、彈性變形很小，但仍能使熔體產(chǎn)生流動(dòng)缺盡管彈性變形很小，但仍能使熔體產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，從而影響制品質(zhì)量，甚至出現(xiàn)廢品。陷，從而影響制品質(zhì)量，甚至出現(xiàn)廢品。2、拉伸彈性拉伸彈性RE ：拉伸應(yīng)力：拉伸應(yīng)力 R：拉伸彈性形變：拉伸彈性形變 E：拉伸彈性模量：拉伸彈性模量 可以用可以用松弛時(shí)間松弛時(shí)間來(lái)區(qū)別熔體中彈性是剪切彈性來(lái)區(qū)別熔體中彈性是剪切彈性還是拉伸彈性。松弛時(shí)間較長(zhǎng)者表明其拉伸彈性形還是拉伸彈性。松弛時(shí)間較長(zhǎng)者表明其拉伸彈性形變占優(yōu)勢(shì)。變占優(yōu)勢(shì)。2.2.6 流體在簡(jiǎn)單截面管道中的流動(dòng)流體在簡(jiǎn)單截面管道中的流動(dòng) 盡管在塑料成型加工過(guò)程中，所使用的模具種類(lèi)繁盡管在塑料成型加工過(guò)程中，所使用的模具種類(lèi)

47、繁多、形式各異，但都不外乎是圓形和狹縫形通道兩種情多、形式各異，但都不外乎是圓形和狹縫形通道兩種情況，其它形狀的流道都可視為這兩種情況的組合。況，其它形狀的流道都可視為這兩種情況的組合。 由于熔體流動(dòng)時(shí)存在由于熔體流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)部粘滯阻力內(nèi)部粘滯阻力和管道壁的和管道壁的摩擦阻摩擦阻力力，這將使流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)明顯的壓力降和速度分布的，這將使流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)明顯的壓力降和速度分布的變化，管道的截面形狀和尺寸若有改變，也會(huì)引起熔體變化，管道的截面形狀和尺寸若有改變，也會(huì)引起熔體中的壓力、流速分布和體積流率中的壓力、流速分布和體積流率(單位時(shí)間內(nèi)的體積流量單位時(shí)間內(nèi)的體積流量)的變化，所有這些變化，對(duì)成型

48、設(shè)備需提供的功率和生的變化，所有這些變化，對(duì)成型設(shè)備需提供的功率和生產(chǎn)效率及聚合物的成型工藝性等都會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影產(chǎn)效率及聚合物的成型工藝性等都會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。響。 由于大多數(shù)聚合物熔體的粘度很高，服從冪律由于大多數(shù)聚合物熔體的粘度很高，服從冪律函數(shù)，在通常情況下為穩(wěn)態(tài)層流的流體，為簡(jiǎn)化分函數(shù)，在通常情況下為穩(wěn)態(tài)層流的流體，為簡(jiǎn)化分析及計(jì)算過(guò)程，作以下析及計(jì)算過(guò)程，作以下假設(shè)假設(shè)：（1 1）液體為不可壓縮的；）液體為不可壓縮的；（2 2）流動(dòng)是等溫過(guò)程；）流動(dòng)是等溫過(guò)程；（3 3）液體在管道壁面不產(chǎn)生滑動(dòng)）液體在管道壁面不產(chǎn)生滑動(dòng) （即壁面速度等于零）；（即壁面速度等于零）；（4 4）

49、液體的粘度不隨時(shí)間而變化，）液體的粘度不隨時(shí)間而變化， 并且其它性質(zhì)也不變。并且其它性質(zhì)也不變。實(shí)際上聚合物熔體在管道中的流動(dòng)要復(fù)雜得多。實(shí)際上聚合物熔體在管道中的流動(dòng)要復(fù)雜得多。一、在圓形流道中的流動(dòng)一、在圓形流道中的流動(dòng) 圓形通道在注射模和擠出模中最為常見(jiàn)，又可圓形通道在注射模和擠出模中最為常見(jiàn)，又可分為等截面的圓管通道和圓錐形通道。分為等截面的圓管通道和圓錐形通道。如：注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道、擠出機(jī)的機(jī)頭如：注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道、擠出機(jī)的機(jī)頭通道或口模等。通道或口模等。 如果聚合物熔體在半徑為如果聚合物熔體在半徑為R的等截面圓管中的流的等截面圓管中的流動(dòng)符合上述假設(shè)條件，取距離

50、管中心為動(dòng)符合上述假設(shè)條件，取距離管中心為r長(zhǎng)為長(zhǎng)為L(zhǎng)的流體的流體圓柱單元，當(dāng)其在壓力梯度圓柱單元，當(dāng)其在壓力梯度(P/L)的推動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，的推動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，將受到相鄰液層阻止其移動(dòng)的摩擦力作用，在達(dá)到穩(wěn)將受到相鄰液層阻止其移動(dòng)的摩擦力作用，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)層流后，作用在圓柱單元上的推動(dòng)力和阻力必處于態(tài)層流后，作用在圓柱單元上的推動(dòng)力和阻力必處于平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)， 即：即：P(r2) (2 rL) 則：則：1、剪切應(yīng)力計(jì)算、剪切應(yīng)力計(jì)算管壁處管壁處rR則則管壁處的剪應(yīng)力管壁處的剪應(yīng)力： 由此可以看出，任一液層的剪切力由此可以看出，任一液層的剪切力(r r) )與其到圓管與其到圓管中心軸線(xiàn)的距離中心軸

51、線(xiàn)的距離(r)(r)和管長(zhǎng)方向上的壓力梯度和管長(zhǎng)方向上的壓力梯度(P(PL)L)均均成正比，在成正比，在管道中心處管道中心處(r(ro)o)的剪切應(yīng)力為零的剪切應(yīng)力為零，而，而在管在管壁處壁處(r(rR)R)的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，剪切應(yīng)力在圓管徑，剪切應(yīng)力在圓管徑上的分布如下圖所示。上的分布如下圖所示。在等截面圓形流道中流動(dòng)時(shí)：在等截面圓形流道中流動(dòng)時(shí)：剪切應(yīng)力和真實(shí)剪剪切應(yīng)力和真實(shí)剪切速率關(guān)系：切速率關(guān)系：mdrd可見(jiàn)：可見(jiàn)：流速流速是隨任意流動(dòng)層的半徑是隨任意流動(dòng)層的半徑r的增大而減的增大而減小的，中心流速最大。小的，中心流速最大。（1） 若圓管的半徑為若圓管的半徑為R

52、，管長(zhǎng)為，管長(zhǎng)為L(zhǎng)，于是任意半徑，于是任意半徑r處處流層所受的剪切應(yīng)力為：流層所受的剪切應(yīng)力為：Lrp2 p：圓管兩端的壓力降：圓管兩端的壓力降對(duì)于一般流體，在管壁處的流動(dòng)速度為零，即對(duì)于一般流體，在管壁處的流動(dòng)速度為零，即r=R=0。（2）將（將（2）式代入（）式代入（1）式并求積分，得到流體在任意）式并求積分，得到流體在任意半徑處的流速半徑處的流速r：)1()2(11mrRLpmmmr(3) 上式表示恒壓下流體在圓管截面上各點(diǎn)的流動(dòng)上式表示恒壓下流體在圓管截面上各點(diǎn)的流動(dòng)速度，也表現(xiàn)出壓力降與流動(dòng)速度的關(guān)系。速度，也表現(xiàn)出壓力降與流動(dòng)速度的關(guān)系。圖中四條線(xiàn)分別表圖中四條線(xiàn)分別表示四種不同示

53、四種不同m值時(shí)值時(shí)流速分布情況。流速分布情況。同時(shí)，可以求出流體在圓管中的體積流率同時(shí)，可以求出流體在圓管中的體積流率q為：為：Rrdrrq02（4）（3）式代入（）式代入（4）式并積分得：）式并積分得：)3()2(3mRLpqmm(5) 毛細(xì)管流變儀測(cè)出的聚合物流變曲線(xiàn)圖，是毛細(xì)管流變儀測(cè)出的聚合物流變曲線(xiàn)圖，是由最大剪切力和相應(yīng)的牛頓剪切速率所作的，因由最大剪切力和相應(yīng)的牛頓剪切速率所作的，因此需要校正。此需要校正。二、二、在狹縫形流道內(nèi)的流動(dòng)在狹縫形流道內(nèi)的流動(dòng) 通常將高度通常將高度(或稱(chēng)厚度或稱(chēng)厚度)遠(yuǎn)比寬度或周邊長(zhǎng)度小得多的遠(yuǎn)比寬度或周邊長(zhǎng)度小得多的流道稱(chēng)作狹縫通道。流道稱(chēng)作狹縫通道

54、。 如用擠出機(jī)如用擠出機(jī)擠膜，擠板擠膜，擠板、擠出薄壁圓管擠出薄壁圓管和和各種中空異各種中空異型材型材的機(jī)頭?？滓约白⑺苣＞叩钠瑺顫部诘取５臋C(jī)頭?？滓约白⑺苣＞叩钠瑺顫部诘?。 常見(jiàn)狹縫通道的截面形狀有常見(jiàn)狹縫通道的截面形狀有平縫形平縫形、圓環(huán)形圓環(huán)形和各種和各種異異形形等三種。等三種。流體所受剪切應(yīng)力和真實(shí)剪切速率關(guān)系：流體所受剪切應(yīng)力和真實(shí)剪切速率關(guān)系： 流速在沿狹縫形截面寬度中心線(xiàn)上各點(diǎn)最大，流速在沿狹縫形截面寬度中心線(xiàn)上各點(diǎn)最大，在上下兩壁處為零。在上下兩壁處為零。mdyd y：狹縫截面上任：狹縫截面上任意點(diǎn)到中心線(xiàn)的距意點(diǎn)到中心線(xiàn)的距離。離。（1） 設(shè)平行板狹縫通道的寬度為設(shè)平行板狹縫

55、通道的寬度為w w，高度為，高度為2h2h，在長(zhǎng)度為，在長(zhǎng)度為L(zhǎng) L的一段上存在的一段上存在的壓力差為的壓力差為PPP-PP-P0 0，如果壓力梯度，如果壓力梯度(P/ L)(P/ L)產(chǎn)生的推動(dòng)力足以克服內(nèi)產(chǎn)生的推動(dòng)力足以克服內(nèi)外摩擦阻力，熔體即可由高壓端向低壓端流動(dòng)。在狹縫高度方向的中平外摩擦阻力，熔體即可由高壓端向低壓端流動(dòng)。在狹縫高度方向的中平面上、下對(duì)稱(chēng)地取一寬為面上、下對(duì)稱(chēng)地取一寬為W W，長(zhǎng)為，長(zhǎng)為L(zhǎng) L，高為，高為2h2h的長(zhǎng)方體液柱單元，其在中的長(zhǎng)方體液柱單元，其在中平面一側(cè)的高為平面一側(cè)的高為h h。 液柱單元受到的推動(dòng)力為液柱單元受到的推動(dòng)力為F F1 12WhP2WhP

56、，受到上、下兩液層的摩擦阻力為受到上、下兩液層的摩擦阻力為F F2 22WL2WLh ， h h為與中平面的距離為為與中平面的距離為h h的液層的剪切應(yīng)力。的液層的剪切應(yīng)力。 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)后，推動(dòng)力和摩擦阻力相等，因而有在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)后，推動(dòng)力和摩擦阻力相等，因而有2WhP2WhP 2WL2WLh ，則：則：在狹縫的上、下壁面處在狹縫的上、下壁面處(hH)熔體的剪切應(yīng)力為熔體的剪切應(yīng)力為則則y處與中心層平行的流層所受到的剪切應(yīng)力為：處與中心層平行的流層所受到的剪切應(yīng)力為：yLp（2）將（將（2）代回（）代回（1），并積分有：），并積分有：11211mmmyyhmLp（3）體積流率：體積流率：

57、2222mhLpWqmmm（4）如用一般流動(dòng)曲線(xiàn)來(lái)求解，則同樣需要換算。如用一般流動(dòng)曲線(xiàn)來(lái)求解，則同樣需要換算。三、三、圓環(huán)形狹縫通道中的流動(dòng)圓環(huán)形狹縫通道中的流動(dòng) 由兩個(gè)同心圓筒構(gòu)成環(huán)隙時(shí)，若外筒的內(nèi)半徑由兩個(gè)同心圓筒構(gòu)成環(huán)隙時(shí)，若外筒的內(nèi)半徑R0與內(nèi)筒的外半與內(nèi)筒的外半徑徑R1很接近，就表明環(huán)隙的周邊長(zhǎng)度遠(yuǎn)比環(huán)隙的厚度大，這樣的環(huán)很接近，就表明環(huán)隙的周邊長(zhǎng)度遠(yuǎn)比環(huán)隙的厚度大，這樣的環(huán)隙就是隙就是圓環(huán)形狹縫通道圓環(huán)形狹縫通道。 圓環(huán)形狹縫展開(kāi)為平行板狹縫，則這一平行板狹縫的厚度圓環(huán)形狹縫展開(kāi)為平行板狹縫，則這一平行板狹縫的厚度2HR0-R1；寬度；寬度W2R，面面R(R0+R1)2，當(dāng)，當(dāng)2

58、R R0-R1時(shí)，對(duì)時(shí)，對(duì)圓環(huán)形狹縫通道中流體的流動(dòng)進(jìn)行近似的分析與計(jì)算。圓環(huán)形狹縫通道中流體的流動(dòng)進(jìn)行近似的分析與計(jì)算。四、四、異形狹縫通道中的流動(dòng)異形狹縫通道中的流動(dòng) 通常將由平行板和同心圓筒構(gòu)成的平縫和圓形狹縫通道以外的各通常將由平行板和同心圓筒構(gòu)成的平縫和圓形狹縫通道以外的各種截面形狀的狹縫通道，均稱(chēng)作異形狹縫通道。種截面形狀的狹縫通道，均稱(chēng)作異形狹縫通道。用擠出機(jī)擠出中空異型材的機(jī)頭模孔是常見(jiàn)的異形狹縫通道。用擠出機(jī)擠出中空異型材的機(jī)頭模孔是常見(jiàn)的異形狹縫通道。這些異形狹縫均可看作這些異形狹縫均可看作平行板狹縫和圓環(huán)形狹縫的不同方式組合平行板狹縫和圓環(huán)形狹縫的不同方式組合。五、五、錐

59、形通道中的流動(dòng)錐形通道中的流動(dòng)-收斂流動(dòng)收斂流動(dòng) 當(dāng)聚合物流體在沿流動(dòng)方向截面尺寸逐漸變小的管道中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)聚合物流體在沿流動(dòng)方向截面尺寸逐漸變小的管道中流動(dòng)時(shí)，流體中各部分質(zhì)點(diǎn)的流線(xiàn)就不能再保持相互平行。在層流條件下當(dāng)流體中各部分質(zhì)點(diǎn)的流線(xiàn)就不能再保持相互平行。在層流條件下當(dāng)聚合物流體從一大直徑管流入一小直徑管時(shí)，大管中各位置上的流聚合物流體從一大直徑管流入一小直徑管時(shí)，大管中各位置上的流體將改變?cè)械牧鲃?dòng)方向，而以一自然角度進(jìn)入小管，這時(shí)流體質(zhì)體將改變?cè)械牧鲃?dòng)方向，而以一自然角度進(jìn)入小管，這時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的流線(xiàn)將形成一錐角，常稱(chēng)此錐角的一半為點(diǎn)的流線(xiàn)將形成一錐角，常稱(chēng)此錐角的一半為收斂角收斂

60、角并以并以表示。表示。流體以這種方式進(jìn)行的流動(dòng)稱(chēng)為流體以這種方式進(jìn)行的流動(dòng)稱(chēng)為收斂流動(dòng)收斂流動(dòng)。 因此，大多數(shù)塑料成型因此，大多數(shù)塑料成型設(shè)備的成型模具都采用具有設(shè)備的成型模具都采用具有一定錐度的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)由大一定錐度的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)由大截面尺寸的管道向小截面尺截面尺寸的管道向小截面尺寸的管道過(guò)渡，以避免因流寸的管道過(guò)渡，以避免因流道中存在道中存在“死角死角”而引起聚而引起聚合物熱降解，并有利于減少合物熱降解，并有利于減少因出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng)而引起的過(guò)因出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng)而引起的過(guò)大壓力降和流動(dòng)缺陷。大壓力降和流動(dòng)缺陷。聚合物流體在錐形管道中流動(dòng)時(shí)：聚合物流體在錐形管道中流動(dòng)時(shí)：（1）以收斂的方式流動(dòng)時(shí)，在垂