高分子材料成形工藝高分子成形流變學基礎課件

1、第二章 高分子成形流變學基礎2022/9/261第二章 高分子成形流變學基礎2022/9/2412.1 高分子成形的流動特征2.2 高分子成形的剪切流動2.3 高分子成形的拉伸流動2.4 高分子成形的流動分析2.5 高分子成形的流體彈性2.6 高分子流變性能的測定2022/9/2622.1 高分子成形的流動特征2022/9/2422.1 高分子成形的流動特征高分子流體成形過程的流變行為十分復雜：黏性和彈性的復雜組合流動過程黏性阻力，熱效應，溫度變化；流體結(jié)構(gòu)甚至有時間相關性流動變形影響因素：溫度、壓力、流動狀態(tài)、應力方式、分子結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)等32.1 高分子成形的流動特征高分子流體成形過程的流

2、變行為十分一、層流和湍流兩種流動狀態(tài)：層流和湍流層流狀態(tài)時流體質(zhì)點無橫向遷移和竄流湍流時流體質(zhì)點存在明顯的橫向遷移和竄流，流動中存在強烈流體混合高分子成形過程中流體流動一般都為層流擠出、注射、壓延等成形流體黏度通常很大；澆鑄、壓制等成形流速很低4一、層流和湍流兩種流動狀態(tài)：層流和湍流4二、穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動：流道任何部位的流速、物理狀態(tài)均不隨時間而變化，但是各部位不一定相同，比如擠出機的正常操作過程非穩(wěn)態(tài)流動：流動狀況隨時間而變化，比如熔體充模過程5二、穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動：流道任何部位的流速、物理狀三、剪切流動和拉伸流動成形流動兩種主要類型：剪切流動和拉伸流動剪切流動：流體

3、受到剪切應力作用產(chǎn)生的流動，擠出機、注射機和口模等的流動拉伸流動：紡絲細流離開噴絲孔處時受拉伸和流體在截面積變化流道中的流動等實際成形過程：常常既受剪切應力作用又受拉伸應力作用，還受流體靜壓力作用，實際流動往往是二者或多者的組合6三、剪切流動和拉伸流動成形流動兩種主要類型：剪切流動和拉伸流（按流動邊界條件分）剪切流動：拖曳流動和壓力流動拖曳流動：由邊界運動而產(chǎn)生的流動，如運轉(zhuǎn)輥筒表面流體的流動壓力流動：邊界固定，外加壓力作用于流體而產(chǎn)生的流動。澆鑄流道和擠出流道7（按流動邊界條件分）剪切流動：拖曳流動和壓力流動7四、一維流動、二維流動和三維流動一維流動：流體內(nèi)部質(zhì)點速度僅在一個方向上變動，如等

4、徑圓管中穩(wěn)態(tài)層流二維流動：流道內(nèi)各質(zhì)點的速度需要用兩個垂直于流動方向的坐標來表示比如流體在矩形或橢圓形截面流道中流動8四、一維流動、二維流動和三維流動一維流動：流體內(nèi)部質(zhì)點速度僅三維流動：質(zhì)點速度沿截面的縱橫兩個方向和主流動方向都在變化比如流體在錐形或收縮形的矩形體管道中的收斂流動有的二維流動可近似按一維流動處理：平行板狹縫流道和間隙很小圓環(huán)形流道9三維流動：質(zhì)點速度沿截面的縱橫兩個方向和主流動方向都在變化9五、等溫流動和非等溫流動等溫流動：指流體各處的溫度均相等且保持不變的流動等溫流動情況下流體與外界可以熱交換，但傳入和輸出的熱量相等實際成形的流動一般在流道徑向和軸向都存在溫度梯度，為非等溫

5、流動10五、等溫流動和非等溫流動等溫流動：指流體各處的溫度均相等且保原因：流道各區(qū)域有意控溫；流動時徑向黏性摩擦生熱效應差異；流動壓力降以至膨脹產(chǎn)生冷卻效應，徑向膨脹冷卻效應差異不同本章主要討論流體在等溫穩(wěn)態(tài)層流時行為表現(xiàn)11原因：流道各區(qū)域有意控溫；流動時徑向黏性摩擦生熱效應差異2.2 高分子成形的剪切流動流體流變性質(zhì)的主要表現(xiàn)：黏度成形流變學最重要的內(nèi)容：流體的黏度及其變化規(guī)律流體類型：牛頓型流體和非牛頓型流體流動行為相應分別為牛頓型流動和非牛頓型流動流動曲線：剪應力（或剪切粘度）與剪切應變速率之間關系的曲線122.2 高分子成形的剪切流動流體流變性質(zhì)的主要表現(xiàn)：黏度122.2.1 牛頓流

6、體及其流動2.2.2 非牛頓流體及其流動2.2.3 剪切流動的影響因素2022/9/26132.2.1 牛頓流體及其流動2022/9/24132.2.1 牛頓流體及其流動速度梯度： 是一個流層相對于鄰近流層移動的距離，它是剪切力作用下該層流體產(chǎn)生的剪切應變 ，即剪切速率 ： 142.2.1 牛頓流體及其流動速度梯度：14圖2.1 剪切流動層流模型（管中心）移動層v外力F摩擦力F1（管壁）固定面y(R)v+dvvdvAxdy(dr 15圖2.1 剪切流動層流模型（管中心）移動層v外力F摩擦力（著名牛頓粘性定律方程：所有非聚合態(tài)流體（如低分子有機物和水等）都屬于牛頓流體牛頓流體特征：牛頓粘度 是一

7、常數(shù)，不隨剪切速率 而變化牛頓流體曲線 是通過直角坐標系原點的直線，斜率即是牛頓流體的應變具有不可逆性，是純粘性流動16著名牛頓粘性定律方程：162.2.2 非牛頓流體及其流動非牛頓型流體黏度 ：剪應力或剪切速率依賴性類型：黏性流體、黏彈性流體和時間依賴性流體黏性流體應變都是不可逆，黏彈性流體部分應變可逆黏彈性流體：常先作黏性流體處理然后根據(jù)彈性進行修正，可簡化流動分析計算黏性流體和黏彈性流體類型：假塑性流體、脹塑性流體和賓漢流體時間依賴性流體：觸變性流體和震凝性流體172.2.2 非牛頓流體及其流動非牛頓型流體黏度 ：剪應圖2.3 典型流體的曲線1牛頓流體 2假塑性流體3脹塑性流體0圖2.2

8、 典型流體的曲線1牛頓流體 2假塑性流體 3膨脹性流體 4賓漢流體 5復合型流體0324118圖2.3 典型流體的曲線0圖2.2 典型流體的曲線032一、黏性流體1假塑性流體多數(shù)高分子流體（包括熔體、溶液和懸浮體等）都屬于假塑性流體流變特征：剪切黏度隨剪切速率或剪應力增大而降低，因此常稱為剪切稀化流體19一、黏性流體1假塑性流體19寬剪切速率范圍流變行為三區(qū)域：第一牛頓區(qū)、非牛頓區(qū)和第二牛頓區(qū)低剪切速率時為牛頓流體，黏度為零切黏度中等剪切速率范圍為假塑性流體，黏度常采用表觀黏度剪切速率很高時再次為牛頓流體，黏度稱為極限黏度流動特征與聚合物分子的長鏈結(jié)構(gòu)和分子纏結(jié)形成的擬網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有關20寬剪切速

9、率范圍流變行為三區(qū)域：第一牛頓區(qū)、非牛頓區(qū)和第二牛頓0圖2.4 寬剪切速率范圍高分子流體 的曲線(和牛頓區(qū)，非牛頓區(qū))210圖2.4 寬剪切速率范圍高分子流體 的曲分子鏈間相互纏結(jié)或范德華力相互作用形成鏈間瞬態(tài)物理交聯(lián)動態(tài)平衡低剪切速率區(qū)：剪切導致的物理交聯(lián)點破壞很少，能夠為熱運動及時重建剪切速率逐漸增加到一定值后：物理交聯(lián)點被破壞的速度大于重建的速度剪切速率很高：物理交聯(lián)點的破壞完全來不及重建時，黏度降到最小值22分子鏈間相互纏結(jié)或范德華力相互作用形成鏈間瞬態(tài)物理交聯(lián)動態(tài)平表2.1 部分成形工藝的剪切速率范圍成形工藝 澆鑄、壓制 壓延、開煉、密煉 擠出 注射剪切速率范圍s-1110 1010

10、2 102103 103104擠出、注射和壓延成形時高分子流體大多處于非牛頓區(qū)且多為假塑性23表2.1 部分成形工藝的剪切速率范圍成形工藝 澆鑄、壓制 壓2脹塑性流體流變特征：黏度隨剪切速率或剪應力增大而升高，因此常稱為剪切增稠流體例：聚氯乙烯糊和高填料含量聚合物流體等懸浮體剪切增稠原因（多種）通常：剪切速率不大：流體起潤滑劑作用，懸浮體大致保持原有堆砌密度沿移動剪切速率逐漸增大：顆粒碰撞機會增多，流動阻力增大；顆粒不能再保持靜態(tài)時緊密堆砌，流體不能再充滿增空隙，潤滑作用減小，阻力增大242脹塑性流體流變特征：黏度隨剪切速率或剪應力增大而升高，因3賓漢流體賓漢流體：剪應力低于 時流體類似于固體

11、； 時流體才流動原因（一般認為）：靜態(tài)下組成該流體系統(tǒng)的基團、質(zhì)點、懸浮顆粒間可能因為存在氫鍵、靜電、范德華力或離子鍵等的作用，形成了三維立體擬網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸鈣填充PP），非線性賓漢流體253賓漢流體賓漢流體：剪應力低于 時流體類似于固體；254冪律方程冪律方程（或稱指數(shù)定律方程）：冪律流體 稱流體稠度， 值越大，流體黏稠性越大 稱為流動指數(shù)（也稱非牛頓指數(shù)）， 值離數(shù)值1越遠，則非牛頓性越突出 264冪律方程冪律方程（或稱指數(shù)定律方程）：=1（牛頓流體）； 1（假塑性流體）；1（脹塑性流體） 和 與溫度有關： 隨溫度增加而減小， 隨溫度升高而增大27=1（牛頓流

12、體）； 1（假塑性流體）；1（脹塑性流 和 隨 變化： 值范圍在有限范圍（如1個數(shù)量級）時可把 和 看作常數(shù)對于假塑性流體： 隨 的增大而增大 隨 的增大而減小。需要說明：有些黏性流體不完全服從冪律方程，流動規(guī)律更復雜28 和 隨 變化： 值范圍在有限范圍（如1個數(shù)量級賓漢流體流變方程： =1線性賓漢流體， 1非線性賓漢流體表觀黏度 ：真實黏度（或叫稠度） ： 29賓漢流體流變方程：29二、時間依賴性流體觸變性流體：表觀黏度隨剪切持續(xù)作用時間（即黏性流動時間）的增長而降低震凝性流體：流體表觀黏度隨剪切持續(xù)作用時間的增加而逐漸增大觸變性流體較常見，震凝性流體很少遇到原因分析：流動的時間依賴性行為

13、可以用三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)理論予以解釋30二、時間依賴性流體觸變性流體：表觀黏度隨剪切持續(xù)作用時間（即觸變性流體原因：靜止時分子或質(zhì)點之間存在非永久性的次價交聯(lián)點形成了締合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，剪切力作用下網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)會逐漸被破壞直至平衡。因此，表觀黏度隨剪切力增加而逐漸減小，并隨應力作用時間增加而逐漸趨于某一平衡值震凝性流體原因：流體中存在不對稱的粒子（如橢球形線團或團粒），在剪切力場作用下逐漸取向排列形成暫時次價交聯(lián)的締合網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)31觸變性流體原因：靜止時分子或質(zhì)點之間存在非永久性的次價交聯(lián)點時間依賴性流體的流變特征：（1）黏度變化可逆（2）剪切速率一定時出現(xiàn)應力松弛，剪應力逐漸從最大（或?。┳兓疗胶庵担?）應

14、力引起的應變表現(xiàn)出滯后效應，存在 滯后環(huán)流體具有觸變性具有實用意義：如涂料具有觸變性，可避免或減少流掛現(xiàn)象32時間依賴性流體的流變特征：32圖2.5 三種材料 的滯后環(huán)33圖2.5 三種材料 的滯后環(huán)332.2.3 剪切流動的影響因素一、溫度溫度升高，流體體積越大，分子間引力越小，流體表現(xiàn)的黏度越小Andrade公式：聚合物熔體黏流活化能一般1.0200.0KJ/mol 直接反映流體黏度的溫度依賴性： 值越大，對溫度越敏感溫敏差異：柔性鏈高分子流體黏度對溫度不敏感，剛性鏈高分子對溫度敏感2022/9/26342.2.3 剪切流動的影響因素一、溫度2022/9/2434圖2.6 聚合物熔體黏度對

15、溫度的依賴性HDPE高密度聚乙烯 PC聚碳酸酯PS聚苯乙烯 PSF聚砜35圖2.6 聚合物熔體黏度對溫度的依賴性35二、壓力高分子流體可壓縮：熔體在110MPa壓力下成形時體積壓縮量小于1%注射成形時注射壓力有時高達100MPa，體積壓縮非常明顯體積壓縮引起自由體積減少，分子間距縮小，分子間作用力增加，流體黏度增加壓力溫度等效性：恒壓下改變溫度和恒溫下改變壓力可以獲得等效黏度變化壓力溫度等效性可用換算因子 來衡量2022/9/2636二、壓力高分子流體可壓縮：熔體在110MPa壓力下成形時體三、剪切速率剪切速率敏感性差異：柔性鏈流體對剪切速率較敏感，剛性鏈敏感性差高分子成形選擇合適的剪切速率很

16、重要對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動性對于薄型和復雜結(jié)構(gòu)制品可克服充模不足的問題確定剪切速率參數(shù)：在成形工藝可選擇范圍內(nèi)選擇黏度對 不敏感的剪切速率2022/9/2637三、剪切速率剪切速率敏感性差異：柔性鏈流體對剪切速率較敏感，圖2.7 高分子流體的曲線38圖2.7 高分子流體的曲線38四、分子結(jié)構(gòu)與參數(shù)1分子結(jié)構(gòu)分子間作用力越大，流體的黏度越大分子極性分子極性越大或分子間存在氫鍵，則分子間作用力越大，流體的黏度越大2022/9/2639四、分子結(jié)構(gòu)與參數(shù)1分子結(jié)構(gòu)2022/9/2439支化短支鏈使分子堆砌密度下降，支鏈較短時支化聚合物黏度較小長支鏈可能產(chǎn)生纏結(jié)，故 低

17、下長支鏈聚合物黏度較高，但高 下剪切稀化效應很突出，黏度卻比分子量相同線型聚合物黏度低2022/9/2640支化2022/9/24402分子量分子量大，分子間作用力大，分子質(zhì)心移動困難，流動性差，黏度高Fox-Flory公式： 小于 時， =1.01.8；當 大于 時， =3.43.5非牛頓性：隨 提高，流體非牛頓行為更突出成形制品時聚合物原料的分子量應合適，應兼顧制品力學性能和成形性能2022/9/26412分子量分子量大，分子間作用力大，分子質(zhì)心移動困難，流動性3分子量分布剪切速率低時分子量分布寬者的黏度比窄者高，但剪切速率較高時相反原因：分子量分布寬則含有分子量很大的部分且含量多意義：分

18、子量分布寬聚合物更容易擠出或注射成形（較高剪切速率的黏度較低）2022/9/26423分子量分布剪切速率低時分子量分布寬者的黏度比窄者高，但剪圖2.8 相同分子量、不同分子量分布的高分子的黏度對剪切速率的依賴性 1分布寬2分布窄43圖2.8 相同分子量、不同分子量分布43五、組成固體添加劑（如填料）都會使體系的黏度增大，流動性降低流體添加劑（如增塑劑）往往使分子距離增大，流動性增大高分子溶液黏度隨著溶液濃度增大而增大，并且增加的幅度不斷增大2022/9/2644五、組成2022/9/2444六、外加物理場物理場作用于流體的動態(tài)成形技術現(xiàn)已成為強化成形過程的新方法聚合物電磁式動態(tài)塑化擠出成形和電

19、磁式動態(tài)注射成形直接物理場（如機械和超聲波振動）使受力狀態(tài)由組合應力決定組合應力：通常導致流體表觀黏度降低、彈性行為減弱、成形壓力減小、功耗降低、制品微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等，從而改善成形性能和制品質(zhì)量2022/9/2645六、外加物理場物理場作用于流體的動態(tài)成形技術現(xiàn)已成為強化成形2.3 高分子成形的拉伸流動高分子材料成形過程中常遇到流動行為與剪切流動不同的拉伸流動拉伸流動的實驗研究比較困難，有些問題尚不十分清楚2.3.1 拉伸流動情形2.3.2 拉伸流變特性2022/9/26462.3 高分子成形的拉伸流動高分子材料成形過程中常遇到流動行2.3.1 拉伸流動情形收斂流動：流體在沿流動方向截面變小

20、的流道中流動（或黏彈性流體從流道中流出時受到拉伸的流動），流體各部分流線不再相互平行流線收斂角 ：流體將改變原有的流動方向以一自然錐角2 向小管流動2022/9/26472.3.1 拉伸流動情形收斂流動：流體在沿流動方向截面變小的圖2.9 收斂流道中流體體元變形過程(a)和流速分布(b)(a)(b)r1r2Z剪切流動區(qū) 收斂流動區(qū) 剪切流動區(qū)48圖2.9 收斂流道中流體體元變形過程(a)和流速分布(b)(收縮型流道：流體擾動和壓力降很大，功率消耗增大并可能影響制品質(zhì)量最常見收縮型流道：圓錐體形流道和楔形流道擠出管材口模和注射模具常采用圓錐體形流道擠出板材、片材、流涎薄膜口模常用楔形流道收斂型流

21、道作用：可以避免死角降低總壓力降減少流動缺陷（如彈性缺陷）通常情況下小于102022/9/2649收縮型流道：流體擾動和壓力降很大，功率消耗增大并可能影響制品圖2.10 擠出細流的拉伸流動拉伸流動區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū)噴絲孔中的剪切流動區(qū)噴絲板ZAZB50圖2.10 擠出細流的拉伸流動拉伸流動區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū)噴絲孔中的噴絲收斂流動類型：抑制性拉伸流動和非抑制性拉伸流動抑制性拉伸流動：在收縮流道中流體的收斂流動徑向和軸向都存在速度梯度，剪切流動和拉伸流動的復合非抑制性拉伸流動：流體從流道中擠出并受外力牽引拉伸的流動純拉伸流動，僅在軸向方向存在速度梯度聚合物吹瓶、吹膜、擠管、紡絲、擠出板材或型材時離開口模的流動2022

22、/9/2651收斂流動類型：抑制性拉伸流動和非抑制性拉伸流動2022/9/2.3.2 拉伸流變特性（根據(jù)應力方式）拉伸流動類型：單軸拉伸和雙軸拉伸收斂流道和擠出紡絲的流動過程屬單軸拉伸薄膜、薄型片材和壓延等工藝有單軸拉伸流動和雙軸拉伸流動兩種方式一、拉伸流動的流變方程2022/9/26522.3.2 拉伸流變特性（根據(jù)應力方式）拉伸流動類型：單軸拉拉伸流變方程： 拉伸應變速率可用拉伸速度梯度表示2022/9/26532022/9/2453二、拉伸黏度的影響因素1. 溫度拉伸黏度 隨溫度的升高而降低2. 拉伸應變速率低 或 范圍： 通常不變，牛頓流體行為（單軸拉伸時 ）2022/9/2654二、

23、拉伸黏度的影響因素1. 溫度2022/9/2454幾乎與拉伸應力無關（如牛頓流體和聚合度較低的線型聚合物，聚丙烯酸酯類、聚酰胺、聚甲醛和ABS等）“拉伸硬化”或“拉伸變稠”：拉伸應力約增至剪切黏度開始下降的應力值后拉伸黏度增加（如低密度聚乙烯、聚異丁烯及聚苯乙烯等）“拉伸變稀”：拉伸應力約增至剪切黏度下降的應力值后拉伸黏度下降（如聚丙烯和高密度聚乙烯等聚合度較高的線性聚合物）較高 或 ，拉伸黏度變化分為3種類型2022/9/2655較高 或 ，拉伸黏度變化分為3種類型2022/9參比應力圖2.11 拉伸黏度與分子結(jié)構(gòu)、拉伸應力間關系56參比應力圖2.11 拉伸黏度與分子結(jié)構(gòu)、拉伸應力間關系56

24、需要注意：有的流體表現(xiàn)出較復雜拉伸流動行為（如6.44%聚丁二烯萘烷溶液先拉伸變稀、后拉伸變稠） 或 很高：拉伸流動又表現(xiàn)為牛頓流體行為“拉伸變稠”特性重要意義：對化學纖維拉伸、吹塑薄膜、流涎薄膜（片）等的成形穩(wěn)定較有利（薄弱部分或應力集中區(qū)域發(fā)生拉伸變細時該部位的拉伸應變速率將增大，該細化部位抵抗繼續(xù)拉伸的能力提高，不致拉斷）2022/9/2657需要注意：有的流體表現(xiàn)出較復雜拉伸流動行為（如6.44%聚丁3. 填料填料及其形狀、用量對流體的拉伸黏度會產(chǎn)生影響比如：聚丙烯酰胺稀溶液加入玻璃珠，則拉伸黏度隨拉伸速率增加而下降長纖維作填料則用量很低（如1v%），拉伸黏度比剪黏大幾百倍4. 流體靜

25、壓力流體靜壓力增加，拉伸黏度增大2022/9/26583. 填料填料及其形狀、用量對流體的拉伸黏度會產(chǎn)生影響2022.4 高分子成形的流動分析成形設備和模具各異，基本截面：圓形、環(huán)形、狹縫形、矩形、梯形及橢圓形等極端截面形狀：圓形和狹縫形流道兩種設備流道和型腔的流動分析意義：可為設備與模具設計、成形工藝問題的理解、成形工藝參數(shù)的確定和提高設備產(chǎn)能提供依據(jù)流動分析極其困難：流體在管隙中的流動十分復雜，影響因素很多592.4 高分子成形的流動分析成形設備和模具各異，基本截面：圓形流道是最常見流道形式，僅對等徑圓管流道的等溫穩(wěn)態(tài)層流分析討論假設包括：流體不可壓縮；流道壁處流體無滑移，即流道壁流體流速

26、為零；流體黏度不隨時間而變化；入口和出口效應可忽略實際穩(wěn)態(tài)層流流動不完全符合假設：如流道壁滑移、流道各處溫度不均勻性、流體可壓縮、非嚴格層流等假設不會引起大的偏差，計算和分析結(jié)果與實際情況比較接近60圓形流道是最常見流道形式，僅對等徑圓管流道的等溫穩(wěn)態(tài)層流分析2.4.1 基本方程的推導2.4.2 基本方程的討論2.4.3 流動的非等溫現(xiàn)象2022/9/26612.4.1 基本方程的推導2022/9/24612.4.1 基本方程的推導一、剪應力分布流體在等徑圓管流道中的流動是一維流動半徑 、長度 的等徑圓管流道，半徑 、長度 的流體微液柱體元受力穩(wěn)態(tài)層流622.4.1 基本方程的推導一、剪應力分

27、布621.什么是傳統(tǒng)機械按鍵設計？傳統(tǒng)的機械按鍵設計是需要手動按壓按鍵觸動PCBA上的開關按鍵來實現(xiàn)功能的一種設計方式。傳統(tǒng)機械按鍵設計要點：1.合理的選擇按鍵的類型，盡量選擇平頭類的按鍵，以防按鍵下陷。2.開關按鍵和塑膠按鍵設計間隙建議留0.050.1mm，以防按鍵死鍵。3.要考慮成型工藝，合理計算累積公差，以防按鍵手感不良。傳統(tǒng)機械按鍵結(jié)構(gòu)層圖：按鍵開關鍵PCBA1.什么是傳統(tǒng)機械按鍵設計？傳統(tǒng)的機械按鍵設計是需要手動按壓 (a)受力分析 (b)體積流率微分分析面元圖圖2.12 流體在等徑圓管流道中的流動分析64 (a)受力分析 (b)體積流率微分分析面 為壓力梯度，穩(wěn)態(tài)流動中與圓管全長范

28、圍內(nèi)壓力降 相同 流體某處剪應力 是該處離管中軸距離 的線性函數(shù)管中軸處 =0， =0；在管壁處 = ， 為最大值6565 二、流速分布流道壁處流體無滑移（即流道壁流體流速為零），以 、 為上下限對 積分得：66 二、流速分布66管壁處 = ：管壁處速度 =0管中軸處 =0：管中軸處流速 最大：67管壁處 = ：管壁處速度 =067 三、體積流率計算等徑圓管中流動的等速線為同心圓，體積流率分析微區(qū)面元圖分析： 積分和整理得冪律流體體積流量方程： 68 三、體積流率計算等徑圓管中流動的等速線為同心圓，體積 四、剪切速率計算由冪律方程 得： 管壁處 = ，管壁處真實剪切速率 ： 是著名Rabino

29、witch修正系數(shù)69 四、剪切速率計算由冪律方程 2.4.2 基本方程的討論一、各式對于牛頓流體和非牛頓流體都適用二、如果將流體在等徑圓管中的平均流速設為 ，則 ，有：702.4.2 基本方程的討論一、各式對于牛頓流體和非牛頓流體圖2.13 值不同時圓管中流體流動的速度分布71圖2.13 值不同時圓管中流體流動的速度分布71牛頓流體 =1：流速分布曲線為拋物線形，管中心流速為平均流速兩倍脹塑性流體 1：流速分布曲線較陡峭， 值越大，越接近于錐體形 = 錐體形，管中心速度為平均速度3倍假塑型性流體 16）：Le段入口彈性應變在Ls段松弛，離模膨脹主要原因是Ls段剪切彈性能和法向應力差L/D很小

30、：Le段入口彈性應變來不及完全松弛，模膨脹主要原因是Le段剪切和拉伸作用所貯存彈性能86L/D很大（如L/D 16）：Le段入口彈性應變在Ls段松 三、端末效應的影響因素凡是導致流動中彈性成分增加的因素，都使入口效應和離模膨脹效應突出（1）分子量高、分子量分布窄、非牛頓性強和彈性模量低的聚合物，入口效應和離模膨脹效應顯著（2）隨剪切速率提高，入口效應和出口膨脹更突出（3）隨溫度提高，入口效應和離模膨脹效應減弱，但最大離模膨脹比增大，出現(xiàn)最大離模膨脹比的剪切速率增大87 三、端末效應的影響因素凡是導致流動中彈性成分增加的因素圖2.17 低密度聚乙烯不同溫度下的 膨脹比與剪切速率關系膨脹比B模壁剪

31、切速率/s-1熔體破裂的近似開始點14516017519020522088圖2.17 低密度聚乙烯不同溫度下的膨脹比B模壁剪切速率/s（4）減小入口收斂角可減小入口效應和降低離模膨脹；適當增大L/D，離模膨脹比降低（5）非圓形截面口模離模膨脹程度在不同方向存在差異狹縫口模：厚度方向膨脹比比寬度方向膨脹比大圓形口模剪切應變下徑向膨脹比介于狹縫口模兩方向膨脹比拉伸應變時則和狹縫口模厚度方向的膨脹比相同89（4）減小入口收斂角可減小入口效應和降低離模膨脹；適當增大L入口效應和離膜膨脹通常對高分子成形都不利可能導制產(chǎn)品變形和扭曲，降低制品尺寸穩(wěn)定性和導致內(nèi)應力生產(chǎn)措施：L/D應盡可能使入口效應消除適當

32、降低成形速度、提高成形溫度和對擠出物適當牽引或拉伸等90入口效應和離膜膨脹通常對高分子成形都不利902.5.2 熔體破裂熔體破裂是極端不穩(wěn)定流動現(xiàn)象：臨界剪應力和臨界剪切速率圖2.18 PMMA在170下不同剪切應力所發(fā)生的不穩(wěn)定流動的擠出物外觀912.5.2 熔體破裂熔體破裂是極端不穩(wěn)定流動現(xiàn)象：臨界剪應力一、熔體破裂機理熔體破體機理不很清楚，通常認為兩個原因：流體流動時在管壁上出現(xiàn)滑移和流體中的彈性發(fā)生回復流體內(nèi)部熱歷史和剪切歷史存在差異92一、熔體破裂機理熔體破體機理不很清楚，通常認為兩個原因：921. 管壁滑移和彈性回復管壁附近流體黏滯性較低（管壁附近剪切速率最大和流動過程的分級效應）

33、，因此流體容易在管壁處出現(xiàn)滑移，導致流體流速增大管壁處剪切速率及其梯度最大，剪切彈性形變和彈性貯能較大，導致徑向上產(chǎn)生彈性應力，當彈性應力增加到與黏滯阻力相當時，發(fā)生彈性回復管壁附近黏滯性最低且彈性應力最大，因此彈性回復在管壁附近較易發(fā)生931. 管壁滑移和彈性回復管壁附近流體黏滯性較低（管壁附近剪切圖2.19 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動的速度分布(a)穩(wěn)定流動，正常擠出物(b)和(c)不穩(wěn)定流動，彎曲擠出物彈性應力（a）（b）（c）94圖2.19 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動的速度分布彈性（a）（b）（熔體破裂（彈性湍流或應力破碎）：流體流速在某處瞬時增大并非雷諾數(shù)增大，而是彈性效應所致熔體破裂擠出物形狀

34、特征由管壁滑移和彈性回復的特征決定比如彈性湍流不穩(wěn)定點沿著管周圍移動，擠出物將呈螺旋狀扭曲如果不穩(wěn)定點在整個圓周上同時出現(xiàn)，擠出物則呈粗糙的竹節(jié)狀95熔體破裂（彈性湍流或應力破碎）：流體流速在某處瞬時增大并非雷2. 熱歷史和剪切歷史差異流體在入口區(qū)域和管內(nèi)流動時受到的剪切作用不一樣，因而液流中產(chǎn)生不均勻的偽彈性，偽彈性回復能引起熔體破裂現(xiàn)象入口死角區(qū)域存在著旋渦流動，死角區(qū)流體在停留時間內(nèi)使以前發(fā)生的彈性應變部分或全部回復，并且熱降解比其它區(qū)域的流體厲害，因此流出管口時可引起極不一致的彈性回復。彈性回復力差異能克服黏滯阻力時將引起擠出物畸變和斷裂。962. 熱歷史和剪切歷史差異流體在入口區(qū)域和

35、管內(nèi)流動時受到的剪二、熔體破裂的影響因素影響因素：聚合物性質(zhì)、剪應力（或速率）、流動管道及口模幾何形狀等非牛頓性越強（PP、HDPE、PVC）：流速分布呈柱塞形，入口處不易產(chǎn)生旋渦，熔體破裂通常是入口區(qū)域或管中流動時的剪切彈性形變過大而引起非牛頓性較弱（PET、LDPE）：流速分布近拋物線型，入口處易產(chǎn)生旋渦，設備和口模結(jié)構(gòu)不合理時容易引起熱歷史和流動歷史差異而出現(xiàn)熔體破裂97二、熔體破裂的影響因素影響因素：聚合物性質(zhì)、剪應力（或速率）合適的剪應力和剪切速率是避免出現(xiàn)熔體破裂的重要工藝因素聚合物不同，出現(xiàn)熔體破裂的 和 不同 大多約在105107Pa數(shù)量級，平均值約1.25105Pa不同聚合物

36、和不同分子量的熔體黏度相差較大，因而 可能相差很大98合適的剪應力和剪切速率是避免出現(xiàn)熔體破裂的重要工藝因素98熔體彈性行為越突出， 值越低分子量增加和分子量分布變窄， 值降低提高溫度， 和 值均增加，特別是 值減小收斂角，適當增大 ，流道表面流線型化， 值提高高分子成形溫度下限不是流動溫度 或 ，而是產(chǎn)生熔體破裂的溫度擠出速度的上限是出現(xiàn)熔體破裂時的剪切速率99熔體彈性行為越突出， 值越低99鯊魚皮癥：擠出物表面上形成很多細微的皺紋，類似于鯊魚皮鯊魚皮癥是另一較輕微的表層不穩(wěn)定流動現(xiàn)象特征：隨不穩(wěn)定流動程度不同，皺紋或密或疏，呈人字形、魚鱗狀到鯊魚皮狀等鯊魚皮癥常見：LDPE擠出物鯊魚皮癥現(xiàn)

37、象原因：管壁滑移，彈性回復，對擠出物的外部牽引力不穩(wěn)定100鯊魚皮癥：擠出物表面上形成很多細微的皺紋，類似于鯊魚皮1002.6 高分子流變性能的測定理論（經(jīng)驗）公式常不能很好反映實際，因此實驗測定流變性能和繪制流動曲線剪切流變測試儀器：毛細管流變儀、旋轉(zhuǎn)式流變儀和落球黏度計等可用于測量10-31011Pas的剪切黏度拉伸流變儀兩類：穩(wěn)態(tài)拉伸流動和非穩(wěn)態(tài)拉伸流動用于測定熔體黏彈性行為的動態(tài)流變儀：偏心盤流變儀、拉伸振動流變儀等高分子流體流變性能測試時應根據(jù)實際成形條件選用流變儀和設定測試條件1012.6 高分子流變性能的測定理論（經(jīng)驗）公式常不能很好反映實2.6.1 毛細管流變儀2.6.2 旋轉(zhuǎn)

38、式流變儀2.6.3 拉伸流變儀2022/9/261022.6.1 毛細管流變儀2022/9/241022.6.1 毛細管流變儀應用：主要用于測定聚合物熔體流變性能，可用于測定聚合物溶液流變性能常用類型：擠壓式毛細管流變儀，剪切速率10-1 106s-1，覆蓋多數(shù)成形工藝構(gòu)造：料筒直徑9.5mm24mm，最大裝料容積60mL。料筒外有加熱裝置，測溫范圍為室溫400（現(xiàn)最高500），帶低溫附件時可至40，測控溫精度0.1。毛細管直徑一般在0.51.5mm之間1032.6.1 毛細管流變儀應用：主要用于測定聚合物熔體流變性能圖2.20 擠壓式毛細管流變儀結(jié)構(gòu)示意圖1環(huán)形加熱器2料筒3料筒夾套4加熱器

39、外殼5毛細管6底部加熱器7熱電偶測溫計8中部加熱器9頂部加熱器10儀器支架104圖2.20 擠壓式毛細管流變儀結(jié)構(gòu)示意圖104方法：通過測定試驗過程柱塞施力值和柱塞下降速度，然后計算管壁處 、 和 ，可繪出 、 和 等流動曲線 式中， 為施加于柱塞的力， 為柱塞直徑（即料筒直徑）， 為料筒截面積， 為毛細管直徑， 為毛細管長度， 為柱塞下移速度。105方法：通過測定試驗過程柱塞施力值和柱塞下降速度，然后計算管壁入口效應、熱效應、壁面滑移、料筒中壓力降和熔體可壓縮等因素以至計算結(jié)果應進行必要的校正測定流動數(shù)據(jù)的校正：壓力降、熱效應、熔體壓縮性和非牛頓等影響的校正毛細管 比值大于20時壓力降校正可

40、忽略多數(shù)情況下熱效應影響的校正可忽略熔體壓縮性校正根據(jù)聚合物狀態(tài)方程進行校正采用Rabinowitch或Baglay修正等作非牛頓校正106入口效應、熱效應、壁面滑移、料筒中壓力降和熔體可壓縮等因素以2.6.2 旋轉(zhuǎn)式流變儀應用：測定高分子熔體或濃溶液在狹縫間的黏性流動行為，還可研究彈性行為和松弛特性等， 范圍10-5106Pa和 范圍10-3103s-1類型：轉(zhuǎn)筒式流變儀、平行板式流變儀 錐板式流變儀轉(zhuǎn)筒式更適合于濃溶液，后兩者主要用于聚合物熔體1072.6.2 旋轉(zhuǎn)式流變儀應用：測定高分子熔體或濃溶液在狹縫間MRiRoLMRMMR圖2.21 轉(zhuǎn)筒式流變儀的結(jié)構(gòu)與速度分布圖2.22 錐板式流

41、變儀的結(jié)構(gòu)與速度分布圖2.23 平行板式流變儀的結(jié)構(gòu)與速度分布108MRiRoLMRMMR圖2.21 轉(zhuǎn)筒式轉(zhuǎn)筒式流變儀：通常采用圓筒固定而圓柱轉(zhuǎn)動的方式距圓筒軸心處 的 、 和 ： 式中， 為平衡時圓柱轉(zhuǎn)矩， 為角速度， 和 分別為圓筒內(nèi)半徑和圓柱半徑， 為圓柱浸液高度109轉(zhuǎn)筒式流變儀：通常采用圓筒固定而圓柱轉(zhuǎn)動的方式1092.6.3 拉伸流變儀一、穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀測試： 保持恒定Ballman法和Meissner法：試樣浸浴于熱油中，熱油與試樣密度相同，試樣漂浮在熱油中，在垂直方向作用力為零，并保持熔體狀態(tài)1102.6.3 拉伸流變儀一、穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀110Ballman法拉伸流變儀：熔體

42、試樣長度隨時間呈指數(shù)關系 增長單軸拉伸黏度 ：試驗條件：試樣拉伸變形均勻，不能出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象； 應控制在（47）的低應變狀態(tài)；Ballman法是垂直拉伸，對油浴密度要求不很嚴格111Ballman法拉伸流變儀：熔體試樣長度隨時間呈指數(shù)關系 圖2.24 Ballman法拉伸流變儀1角位移傳感器2伺服電機3卷線盤4線帶5保溫加熱套6油池7試樣8壓力傳感器112圖2.24 Ballman法拉伸流變儀112Meissner法拉伸流變儀：聚合物熔體試樣被密度相同的熱油浸漂，試樣由一對反向轉(zhuǎn)動的驅(qū)動滾輪以作用力 夾緊，滾輪（表面線速度 ）以恒定 使試樣被拉伸長度 ，拉簧片上的應變片傳感器可測得夾緊拉力 或驅(qū)動力矩 ，試樣另一端的夾緊滾輪提供拉伸的平衡力。剪斷刀在拉伸結(jié)束后將試樣剪斷以測定最終的回復