高聚物熔體的彈性效應(yīng)

高聚物熔體的彈性效應(yīng)

高聚物熔體的彈性效應(yīng)

高聚物熔體在流動過程中，不僅產(chǎn)生不可逆的塑性形變，同時伴有可逆的高彈形變，這是高聚物熔體區(qū)別于小分子流體的重要特點之一。

韋森堡（Weissenberg）效應(yīng)（爬桿效應(yīng)）圖1-16高分子液體的“爬桿”效應(yīng)圖1-17圓盤擠出機示意圖

與牛頓型流體不同，當(dāng)高聚物熔體或濃溶液在容器（圖1-16）中進行攪拌時，因受到旋轉(zhuǎn)剪切的作用，流體會沿內(nèi)筒壁或軸上升，發(fā)生包軸或爬桿現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱Weissenberg效應(yīng)，又稱“包軸”現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因被歸結(jié)為高分子液體是一種具有彈性的液體?？梢韵胂笤谛D(zhuǎn)流動時，具有彈性的大分子鏈會沿著圓周方向取向和出現(xiàn)拉伸變形，從而產(chǎn)生一種朝向軸心的壓力，迫使液體沿棒爬升。分析得知，在所有流線彎曲的剪切流場中高分子流體元除受到剪切應(yīng)力外（表現(xiàn)為粘性），還存在法向應(yīng)力差效應(yīng)（表現(xiàn)為彈性）。測量容器中A、B兩點的壓力，可以測得，對牛頓型流體有PA＞PB，對高分子液體有PA＜PB。

利用包軸現(xiàn)象可以設(shè)計一種圓盤擠出機（圖1-17）熔融的物料從加料口加入，在旋轉(zhuǎn)流動中沿軸爬升，而后從軸心處的排料口排出。這種機器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，性能穩(wěn)定，用作橡膠加工的螺桿擠出機的喂料裝置，可提高混合效果和改善擠出穩(wěn)定性。

（2）擠出脹大現(xiàn)象

圖1-18擠出脹大效應(yīng)示意圖

當(dāng)高聚物熔體從噴絲板小孔、毛細(xì)管或狹縫中擠出時，擠出物的直徑或厚度會明顯地大于模口尺寸，有時會脹大兩倍以上，這種現(xiàn)象稱作擠出物脹大現(xiàn)象,又叫出口脹大效應(yīng)或Barus效應(yīng)，如圖1-18。產(chǎn)生的原因是入口時擠壓形變（大分子卷曲），形變能轉(zhuǎn)化為彈性能，貯存起來，出口時釋放出來（大分子伸展），使細(xì)流橫截面增大。高聚物熔體離開管口后可產(chǎn)生出口膨脹效應(yīng)。?？兹肟谔幜骶€收斂，在流動方向產(chǎn)生速度梯度，因而高分子熔體在拉力下產(chǎn)生拉伸彈性形變，當(dāng)口模較短時，這部分形變來不及完全松弛掉，出口模時要回復(fù)，熔體在口模中流動時有法向應(yīng)力差，由此產(chǎn)生的彈性形變在出口模后也要回復(fù)。牛頓型流體不具有這種效應(yīng)或只有很弱的口型變化效應(yīng)，而高分子液體的口型膨脹效應(yīng)相當(dāng)顯著。其產(chǎn)生的原因也被歸結(jié)為高分子熔體具有彈性記憶能力所致。

增加管子或口模的平直部分的長度（即增加長徑比L/D），適當(dāng)降低成型時的壓力和提高成型溫度，并對擠出物加以適當(dāng)速度的牽引或拉伸等，均有利于減少或消除可逆的彈性變形帶來的不利影響。實驗表明，當(dāng)擠出溫度升高，或擠出速度下降，或體系中加入填料而導(dǎo)致高分子熔體彈性形變減小時，擠出脹大現(xiàn)象明顯減輕。擠出脹大現(xiàn)象影響到擠出制品的質(zhì)量，對擠出成型工藝及擠出口模和機頭設(shè)計至關(guān)重要。（3）不穩(wěn)定流動——熔體破裂現(xiàn)象

圖1-19不穩(wěn)定流動的擠出物外觀示意圖

在塑料的擠出或注射成型過程中?？吹竭@樣一種現(xiàn)象，在較低的剪切速率范圍內(nèi)，擠出物的表面光滑，形狀均勻；但當(dāng)高分子熔體從口模擠出時，擠出速度（或應(yīng)力）過高，超過某一臨界剪切速率（或臨界剪切應(yīng)力），就容易出現(xiàn)彈性湍流，導(dǎo)致流動不穩(wěn)定，擠出物的外觀將依次出現(xiàn)表面粗糙、不光滑、粗細(xì)不均，周期性起伏，直至熔體破裂成碎塊這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為不穩(wěn)定流動，其中最嚴(yán)重的為熔體破裂。不穩(wěn)定流動的擠出物外觀示意見圖1-19。這些現(xiàn)象說明在剪切速率較低的牛頓流動條件下各種因素引起的小的擾動容易受到抑制，而在高剪切速率時，熔體中的擾動難以抑制并發(fā)展成為不穩(wěn)定流動，引起熔體破裂。出現(xiàn)熔體破裂時的剪切應(yīng)力或剪切速率稱為臨界