第二章-高分子成形流變學(xué)基礎(chǔ)_第1頁(yè)
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1、第二章 高分子成形流變學(xué)基礎(chǔ),2.1 高分子成形的流動(dòng)特征2.2 高分子成形的剪切流動(dòng)2.3 高分子成形的拉伸流動(dòng)2.4 高分子成形的流動(dòng)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(cè)定,2.1 高分子成形的流動(dòng)特征,高分子流體成形過(guò)程的流變行為十分復(fù)雜:黏性和彈性的復(fù)雜組合流動(dòng)過(guò)程黏性阻力,熱效應(yīng),溫度變化;流體結(jié)構(gòu)甚至有時(shí)間相關(guān)性流動(dòng)變形影響因素:溫度、壓力、流動(dòng)狀態(tài)、應(yīng)力方式、分子結(jié)構(gòu)和組織結(jié)

2、構(gòu)等,,一、層流和湍流,兩種流動(dòng)狀態(tài):層流和湍流層流狀態(tài)時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)橫向遷移和竄流湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)存在明顯的橫向遷移和竄流,流動(dòng)中存在強(qiáng)烈流體混合高分子成形過(guò)程中流體流動(dòng)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,二、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng),穩(wěn)態(tài)流動(dòng):流道任何部位的流速、物理狀態(tài)均不隨時(shí)間而變化,但是各部位不一定相同,比如擠出機(jī)的正常操作過(guò)程非穩(wěn)態(tài)流動(dòng):流動(dòng)狀況隨時(shí)間而變化,比如熔體充模過(guò)程,三、

3、剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng),成形流動(dòng)兩種主要類型:剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)剪切流動(dòng):流體受到剪切應(yīng)力作用產(chǎn)生的流動(dòng),擠出機(jī)、注射機(jī)和口模等的流動(dòng)拉伸流動(dòng):紡絲細(xì)流離開(kāi)噴絲孔處時(shí)受拉伸和流體在截面積變化流道中的流動(dòng)等實(shí)際成形過(guò)程:常常既受剪切應(yīng)力作用又受拉伸應(yīng)力作用,還受流體靜壓力作用,實(shí)際流動(dòng)往往是二者或多者的組合,(按流動(dòng)邊界條件分)剪切流動(dòng):拖曳流動(dòng)和壓力流動(dòng)拖曳流動(dòng):由邊界運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的流動(dòng),如運(yùn)轉(zhuǎn)輥筒表面流體的流動(dòng)壓力流動(dòng):邊界固定,

4、外加壓力作用于流體而產(chǎn)生的流動(dòng)。澆鑄流道和擠出流道,四、一維流動(dòng)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng),一維流動(dòng):流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)速度僅在一個(gè)方向上變動(dòng),如等徑圓管中穩(wěn)態(tài)層流二維流動(dòng):流道內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的速度需要用兩個(gè)垂直于流動(dòng)方向的坐標(biāo)來(lái)表示比如流體在矩形或橢圓形截面流道中流動(dòng),三維流動(dòng):質(zhì)點(diǎn)速度沿截面的縱橫兩個(gè)方向和主流動(dòng)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(dòng)有的二維流動(dòng)可近似按一維流動(dòng)處理:平行板狹縫流道和間隙很小圓環(huán)形流道,五、

5、等溫流動(dòng)和非等溫流動(dòng),等溫流動(dòng):指流體各處的溫度均相等且保持不變的流動(dòng)等溫流動(dòng)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(shí)際成形的流動(dòng)一般在流道徑向和軸向都存在溫度梯度,為非等溫流動(dòng),原因:①流道各區(qū)域有意控溫;②流動(dòng)時(shí)徑向黏性摩擦生熱效應(yīng)差異;③流動(dòng)壓力降以至膨脹產(chǎn)生冷卻效應(yīng),徑向膨脹冷卻效應(yīng)差異不同本章主要討論流體在等溫穩(wěn)態(tài)層流時(shí)行為表現(xiàn),2.2 高分子成形的剪切流動(dòng),流體流變性質(zhì)的主要表現(xiàn):黏度成形流變學(xué)最重要的內(nèi)

6、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(dòng)行為相應(yīng)分別為牛頓型流動(dòng)和非牛頓型流動(dòng)流動(dòng)曲線:剪應(yīng)力(或剪切粘度)與剪切應(yīng)變速率之間關(guān)系的曲線,2.2.1 牛頓流體及其流動(dòng)2.2.2 非牛頓流體及其流動(dòng)2.2.3 剪切流動(dòng)的影響因素,,2.2.1 牛頓流體及其流動(dòng),速度梯度: 是一個(gè)流層相對(duì)于鄰近流層移動(dòng)的距離,它是剪切力作用下該層流體產(chǎn)生的剪切應(yīng)變 ,即剪切速率 :,,x,dy(d

7、r,,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(jī)物和水等)都屬于牛頓流體牛頓流體特征:①牛頓粘度 是一常數(shù),不隨剪切速率 而變化②牛頓流體曲線 是通過(guò)直角坐標(biāo)系原點(diǎn)的直線,斜率即是③牛頓流體的應(yīng)變具有不可逆性,是純粘性流動(dòng),,2.2.2 非牛頓流體及其流動(dòng),非牛頓型流體黏度 :剪應(yīng)力或剪切速率依賴性類型:黏性流體、黏彈性流體和時(shí)間依賴性流體黏性流體應(yīng)變都是不可逆,黏彈性流體部分應(yīng)變可逆

8、黏彈性流體:常先作黏性流體處理然后根據(jù)彈性進(jìn)行修正,可簡(jiǎn)化流動(dòng)分析計(jì)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(shí)間依賴性流體:觸變性流體和震凝性流體,,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,圖2.2 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(fù)合型流體,,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

9、塑性流體流變特征:剪切黏度隨剪切速率或剪應(yīng)力增大而降低,因此常稱為剪切稀化流體,,寬剪切速率范圍流變行為3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(shí)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(shí)再次為牛頓流體,黏度稱為極限黏度流動(dòng)特征與聚合物分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和分子纏結(jié)形成的擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān),,,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(dòng)態(tài)平衡低剪切速率區(qū):剪切導(dǎo)致的

10、物理交聯(lián)點(diǎn)破壞很少,能夠?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)及時(shí)重建剪切速率逐漸增加到一定值后:物理交聯(lián)點(diǎn)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(diǎn)的破壞完全來(lái)不及重建時(shí),黏度降到最小值,,表2.1 部分成形工藝的剪切速率范圍,擠出、注射和壓延成形時(shí)高分子流體大多處于非牛頓區(qū)且多為假塑性,,2.脹塑性流體,流變特征:黏度隨剪切速率或剪應(yīng)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

11、率不大:流體起潤(rùn)滑劑作用,懸浮體大致保持原有堆砌密度沿移動(dòng)剪切速率逐漸增大:①顆粒碰撞機(jī)會(huì)增多,流動(dòng)阻力增大;②顆粒不能再保持靜態(tài)時(shí)緊密堆砌,流體不能再充滿增空隙,潤(rùn)滑作用減小,阻力增大,,3.賓漢流體,賓漢流體:剪應(yīng)力低于 時(shí)流體類似于固體; 時(shí)流體才流動(dòng)原因(一般認(rèn)為):靜態(tài)下組成該流體系統(tǒng)的基團(tuán)、質(zhì)點(diǎn)、懸浮顆粒間可能因?yàn)榇嬖跉滏I、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(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)例:高填

12、料用量的填充聚合物(如碳酸鈣填充PP),非線性賓漢流體,,4.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(dòng)指數(shù)(也稱非牛頓指數(shù)), 值離數(shù)值1越遠(yuǎn),則非牛頓性越突出,,=1(牛頓流體); <1(假塑性流體);?。?(脹塑性流體) 和 與

13、溫度有關(guān): 隨溫度增加而減小, 隨溫度升高而增大,和 隨 變化: 值范圍在有限范圍(如1個(gè)數(shù)量級(jí))時(shí)可把 和 看作常數(shù)對(duì)于假塑性流體: 隨 的增大而增大          隨 的增大而減小。需要說(shuō)明:有些黏性流體不完全服從冪律方程,流動(dòng)規(guī)律更復(fù)雜,,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(shí)黏度(或叫稠度) :,,二、時(shí)間依賴性流體

14、,觸變性流體:表觀黏度隨剪切持續(xù)作用時(shí)間(即黏性流動(dòng)時(shí)間)的增長(zhǎng)而降低震凝性流體:流體表觀黏度隨剪切持續(xù)作用時(shí)間的增加而逐漸增大觸變性流體較常見(jiàn),震凝性流體很少遇到原因分析:流動(dòng)的時(shí)間依賴性行為可以用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論予以解釋,,觸變性流體原因:靜止時(shí)分子或質(zhì)點(diǎn)之間存在非永久性的次價(jià)交聯(lián)點(diǎn)形成了締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),剪切力作用下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)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(yīng)力作用時(shí)間增加而逐漸趨于某一平衡值震凝

15、性流體原因:流體中存在不對(duì)稱的粒子(如橢球形線團(tuán)或團(tuán)粒),在剪切力場(chǎng)作用下逐漸取向排列形成暫時(shí)次價(jià)交聯(lián)的締合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),,時(shí)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(shí)出現(xiàn)應(yīng)力松弛,剪應(yīng)力逐漸從最大(或?。┳兓疗胶庵担?)應(yīng)力引起的應(yīng)變表現(xiàn)出滯后效應(yīng),存在 滯后環(huán)流體具有觸變性具有實(shí)用意義:如涂料具有觸變性,可避免或減少流掛現(xiàn)象,,,,,2.2.3 剪切流動(dòng)的影響因素,一、溫度溫度升高,流體體積

16、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1.0~200.0KJ/mol 直接反映流體黏度的溫度依賴性: 值越大,對(duì)溫度越敏感溫敏差異:柔性鏈高分子流體黏度對(duì)溫度不敏感,剛性鏈高分子對(duì)溫度敏感,,圖2.6 聚合物熔體黏度對(duì)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,,二、壓力,高分子流體可壓縮:熔體在1~10MPa壓力下成形時(shí)

17、體積壓縮量小于1%注射成形時(shí)注射壓力有時(shí)高達(dá)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(lái)衡量,,,三、剪切速率,剪切速率敏感性差異:柔性鏈流體對(duì)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重要對(duì)剪切速率敏感的聚合物可采用增大剪切速率的方法

18、增加流動(dòng)性對(duì)于薄型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品可克服充模不足的問(wèn)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(duì) 不敏感的剪切速率,,,,四、分子結(jié)構(gòu)與參數(shù),1.分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)不同,分子間作用力不同;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,,,支化短支鏈?zhǔn)狗肿佣哑雒芏认陆?,支鏈較短時(shí)支化聚合物黏度較小長(zhǎng)支鏈可能產(chǎn)生纏結(jié),故 低下長(zhǎng)支鏈聚合物黏度較高,但高

19、 下剪切稀化效應(yīng)很突出,黏度卻比分子量相同線型聚合物黏度低,2.分子量,分子量大,分子間作用力大,分子質(zhì)心移動(dòng)困難,流動(dòng)性差,黏度高Fox-Flory公式: 小于 時(shí), =1.0~1.8;當(dāng) 大于 時(shí), =3.4~3.5非牛頓性:隨 提高,流體非牛頓行為更突出成形制品時(shí)聚合物原料的分子量應(yīng)合適,應(yīng)兼顧制品力學(xué)性能和成形性能,,3.分子量分布,剪切速率低時(shí)分子量分布寬者的黏度

20、比窄者高,但剪切速率較高時(shí)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),,,五、組成,固體添加劑(如填料)都會(huì)使體系的黏度增大,流動(dòng)性降低流體添加劑(如增塑劑)往往使分子距離增大,流動(dòng)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,,六、外加物理場(chǎng),物理場(chǎng)作用于流體的動(dòng)態(tài)成形技術(shù)現(xiàn)已成為強(qiáng)化成形過(guò)程的新方法聚合物電磁式動(dòng)態(tài)塑化擠出

21、成形和電磁式動(dòng)態(tài)注射成形直接物理場(chǎng)(如機(jī)械和超聲波振動(dòng))使受力狀態(tài)由組合應(yīng)力決定組合應(yīng)力:通常導(dǎo)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,,2.3 高分子成形的拉伸流動(dòng),高分子材料成形過(guò)程中常遇到流動(dòng)行為與剪切流動(dòng)不同的拉伸流動(dòng)拉伸流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究比較困難,有些問(wèn)題尚不十分清楚2.3.1 拉伸流動(dòng)情形2.3.2 拉伸流變特性,,2.3.1 拉伸流動(dòng)情形,收斂流

22、動(dòng):流體在沿流動(dòng)方向截面變小的流道中流動(dòng)(或黏彈性流體從流道中流出時(shí)受到拉伸的流動(dòng)),流體各部分流線不再相互平行流線收斂角 :流體將改變?cè)械牧鲃?dòng)方向以一自然錐角2 向小管流動(dòng),,,收縮型流道:流體擾動(dòng)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(jiàn)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道作用:①可以避免死角②降低總壓力降③減少流動(dòng)

23、缺陷(如彈性缺陷)通常情況下 小于10°,,,收斂流動(dòng)類型:抑制性拉伸流動(dòng)和非抑制性拉伸流動(dòng)抑制性拉伸流動(dòng):在收縮流道中流體的收斂流動(dòng)徑向和軸向都存在速度梯度,剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的復(fù)合非抑制性拉伸流動(dòng):流體從流道中擠出并受外力牽引拉伸的流動(dòng)純拉伸流動(dòng),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(shí)離開(kāi)口模的流動(dòng),,2.3.2 拉伸流變特性,(根據(jù)應(yīng)力方式)拉伸流動(dòng)類型:?jiǎn)屋S拉伸和雙軸拉伸收

24、斂流道和擠出紡絲的流動(dòng)過(guò)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(dòng)和雙軸拉伸流動(dòng)兩種方式一、拉伸流動(dòng)的流變方程,,拉伸流變方程: 拉伸應(yīng)變速率可用拉伸速度梯度表示,,,,,,,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(yīng)變速率低 或 范圍: 通常不變,牛頓流體行為(單軸拉伸時(shí) ),,①幾乎與拉伸應(yīng)力無(wú)

25、關(guān)(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)②“拉伸硬化”或“拉伸變稠”:拉伸應(yīng)力約增至剪切黏度開(kāi)始下降的應(yīng)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)③“拉伸變稀”:拉伸應(yīng)力約增至剪切黏度下降的應(yīng)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,,圖2.11 拉伸黏度與分子結(jié)構(gòu)、拉伸應(yīng)力間關(guān)系,,需要注意:有的

26、流體表現(xiàn)出較復(fù)雜拉伸流動(dòng)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(dòng)又表現(xiàn)為牛頓流體行為“拉伸變稠”特性重要意義:對(duì)化學(xué)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(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生拉伸變細(xì)時(shí)該部位的拉伸應(yīng)變速率將增大,該細(xì)化部位抵抗繼續(xù)拉伸的能力提高,不致拉斷),,3. 填料,填料及其形狀、用量對(duì)流體的拉伸黏度會(huì)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

27、速率增加而下降長(zhǎng)纖維作填料則用量很低(如1v%),拉伸黏度比剪黏大幾百倍4. 流體靜壓力流體靜壓力增加,拉伸黏度增大,,2.4 高分子成形的流動(dòng)分析,成形設(shè)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(shè)備流道和型腔的流動(dòng)分析意義:可為設(shè)備與模具設(shè)計(jì)、成形工藝問(wèn)題的理解、成形工藝參數(shù)的確定和提高設(shè)備產(chǎn)能提供依據(jù)流動(dòng)分析極其困難:流體在管隙中的流動(dòng)十分復(fù)雜,影響因素很多,圓形

28、流道是最常見(jiàn)流道形式,僅對(duì)等徑圓管流道的等溫穩(wěn)態(tài)層流分析討論假設(shè)包括:①流體不可壓縮;②流道壁處流體無(wú)滑移,即流道壁流體流速為零;③流體黏度不隨時(shí)間而變化;④入口和出口效應(yīng)可忽略實(shí)際穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)不完全符合假設(shè):如流道壁滑移、流道各處溫度不均勻性、流體可壓縮、非嚴(yán)格層流等假設(shè)不會(huì)引起大的偏差,計(jì)算和分析結(jié)果與實(shí)際情況比較接近,2.4.1 基本方程的推導(dǎo)2.4.2 基本方程的討論2.4.3 流動(dòng)的非等溫現(xiàn)象,,2.4.1 基本方程

29、的推導(dǎo),一、剪應(yīng)力分布流體在等徑圓管流道中的流動(dòng)是一維流動(dòng)半徑 、長(zhǎng)度 的等徑圓管流道,半徑 、長(zhǎng)度 的流體微液柱體元受力穩(wěn)態(tài)層流,,(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(dòng)分析,,為壓力梯度,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中與圓管全長(zhǎng)范圍內(nèi)壓力降 相同

30、流體某處剪應(yīng)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,,二、流速分布,流道壁處流體無(wú)滑移(即流道壁流體流速為零),以 、 為上下限對(duì) 積分得:,,管壁處 = :管壁處速度 =0管中軸處 =0:管中軸處流速 最大:,,三、體積流率計(jì)算,等徑圓管中流動(dòng)的等速線為同心圓,體積流率分析微區(qū)面元圖分析:

31、 積分和整理得冪律流體體積流量方程:,,四、剪切速率計(jì)算,由冪律方程 得: 管壁處 = ,管壁處真實(shí)剪切速率 : 是著名

32、Rabinowitch修正系數(shù),,2.4.2 基本方程的討論,一、各式對(duì)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(shè)為 ,則 ,有:,,圖2.13 值不同時(shí)圓管中流體流動(dòng)的速度分布,,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

33、倍假塑型性流體 <1:流速分布曲線較平坦, 越小,越平坦( =0為柱塞流動(dòng)),,三、柱塞運(yùn)動(dòng)區(qū)沒(méi)有剪切作用,均化作用差,對(duì)于多組分物料加工不利,對(duì)于 值較小、柱塞流動(dòng)區(qū)較大的多組分流體,可考慮配置相應(yīng)的混合器或采用螺桿甚至雙螺桿擠出機(jī)輸送擠出非牛頓流體在等徑圓管中的壓力降表達(dá)式:,,圖2.14 圓管中柱塞運(yùn)動(dòng)速度分布,,四、流速是距管中軸的距離作為唯一自變量的函數(shù),是一維流動(dòng),剪應(yīng)力與距管中軸的距離成正比

34、,呈線性分布管中軸處剪應(yīng)力和剪切速率為零,管壁處剪應(yīng)力和剪切速率最大流速和體積流率均隨管徑和壓力降增大而增大,隨流體黏度和管長(zhǎng)的增加而減小,,值得注意:流體的實(shí)際流量常比計(jì)算值大原因:實(shí)際流體在管壁處通常都有一定程度的滑移,即多組分流體流動(dòng)產(chǎn)生分層流動(dòng)高分子流體流動(dòng)存在分子量分級(jí)流動(dòng),,,2.4.3 流動(dòng)的非等溫現(xiàn)象,黏滯生熱效應(yīng):生熱量與剪切應(yīng)力(速率)相關(guān)管中軸附近的剪應(yīng)力和剪切速率較低,黏滯生熱小,溫升小管壁處因剪應(yīng)

35、力和剪切速率最大,黏滯生熱高,溫升大,,膨脹冷卻效應(yīng):流動(dòng)產(chǎn)生壓力降,流動(dòng)方向上體積逐漸膨脹,出現(xiàn)冷卻效應(yīng)管中軸處膨脹較自由,管中軸附近冷卻效應(yīng)大管壁處流體膨脹受到管壁限制,管壁處冷卻效應(yīng)最小黏滯摩擦生熱和膨脹冷卻導(dǎo)致管中軸處的流體溫度比管壁處的流體溫度低,流體在等徑圓管中流動(dòng)溫度分布Toor半經(jīng)驗(yàn)公式式中, 為距圓管中心、半徑為 處的溫度, 為管壁處溫度, 為管中心溫度, 為圓管的內(nèi)半徑, 為熱

36、膨脹系數(shù) =0時(shí)流體中心溫度與管壁處溫度之差, 為圓管橫截面上溫度與熱膨脹系數(shù)乘積的平均值。,,圖2.15 不同值的冪律流體沿圓管半徑方向上的溫度分布1-m=1, =0;2-m=1, =0.3;3-m=4, =0.3,,規(guī)律:流體假塑性越強(qiáng),冷卻效應(yīng)使中心區(qū)域溫度降低越顯著,      區(qū)域內(nèi)溫度最高。管壁附近區(qū)域溫度不是最高的原因是由于管壁短程熱傳導(dǎo)盡管并非是理想的等溫流動(dòng),但當(dāng)作等溫流動(dòng)處理不會(huì)引起大的偏差,,,

37、2.5 高分子成形的流體彈性,高分子流體流動(dòng)不同程度地表現(xiàn)出彈性行為,對(duì)高分子成形影響很大最常見(jiàn)彈性行為:端末(或巴拉斯)效應(yīng)(入口效應(yīng)、離模膨脹)和熔體破裂2.5.1 端末效應(yīng)2.5.2 熔體破裂,,2.5.1 端末效應(yīng),一、入口效應(yīng)現(xiàn)象與機(jī)理入口效應(yīng):高分子流體從大口徑進(jìn)入小口徑時(shí)入口區(qū)域的壓力降很大的現(xiàn)象機(jī)理:(1)拉伸流動(dòng) 收斂流動(dòng)方式,軸向產(chǎn)生速度梯度,拉伸形變消耗能量 (2)剪切增強(qiáng) 平均流速

38、增大,剪切速率增大,剪切應(yīng)力相應(yīng)增大,剪切應(yīng)力增加必然產(chǎn)生大的壓力降;剪切增強(qiáng)使大分子伸展與取向程度提高,剪切高彈形變?cè)黾幽芰肯陌凑阵w積流率-壓力降方程計(jì)算壓力降時(shí)(L+6R)或(L+3D)代替L,,二、離模膨脹現(xiàn)象與機(jī)理,離模膨脹或出口膨化效應(yīng)(擠出物脹大),Df/D通常稱為膨脹比離模膨脹效應(yīng)是流動(dòng)彈性行為,通常認(rèn)為來(lái)源于彈性貯能和法向應(yīng)力兩個(gè)方面,2.16 高分子流體在入口區(qū)域和出口區(qū)域的流動(dòng)圖,,(1)彈性貯能入口區(qū)Le段

39、的收斂流動(dòng)產(chǎn)生拉伸彈性應(yīng)變和剪切彈性應(yīng)變流道Ls段的剪切流動(dòng)引起剪切彈性應(yīng)變(2)法向應(yīng)力黏彈性流體發(fā)生剪切變形時(shí)出現(xiàn)法向應(yīng)力差,離模時(shí)將使液流發(fā)生膨脹法向應(yīng)力差越大,離模膨脹比越大,,L/D很大(如L/D >16):Le段入口彈性應(yīng)變?cè)贚s段松弛,離模膨脹主要原因是Ls段剪切彈性能和法向應(yīng)力差L/D很?。篖e段入口彈性應(yīng)變來(lái)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,,三、端末效應(yīng)的影響因素,凡是導(dǎo)

40、致流動(dòng)中彈性成分增加的因素,都使入口效應(yīng)和離模膨脹效應(yīng)突出(1)分子量高、分子量分布窄、非牛頓性強(qiáng)和彈性模量低的聚合物,入口效應(yīng)和離模膨脹效應(yīng)顯著(2)隨剪切速率的提高,入口效應(yīng)和出口膨脹更突出(3)隨溫度提高,入口效應(yīng)和離模膨脹效應(yīng)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,,,(4)減小入口收斂角可減小入口效應(yīng)和降低離模膨脹;適當(dāng)增大L/D,離模膨脹比降低(5)非圓形截面口模的離模膨脹程度在不同方向存在差異

41、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(yīng)變下徑向膨脹比介于狹縫口模兩方向膨脹比拉伸應(yīng)變時(shí)則和狹縫口模厚度方向的膨脹比相同,,入口效應(yīng)和離膜膨脹通常對(duì)高分子成形都不利可能導(dǎo)制產(chǎn)品變形和扭曲,降低制品尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力生產(chǎn)措施:L/D應(yīng)盡可能使入口效應(yīng)消除適當(dāng)降低成形速度、提高成形溫度和對(duì)擠出物適當(dāng)牽引或拉伸等,,2.5.2 熔體破裂,熔體破裂是極端不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象:臨界剪應(yīng)力和臨界剪切速率,圖2.18

42、PMMA在170℃下不同剪切應(yīng)力所發(fā)生的不穩(wěn)定流動(dòng)的擠出物外觀,,一、熔體破裂機(jī)理,熔體破體機(jī)理不很清楚,通常認(rèn)為兩個(gè)原因:流體流動(dòng)時(shí)在管壁上出現(xiàn)滑移和流體中的彈性發(fā)生回復(fù)流體內(nèi)部熱歷史和剪切歷史存在差異,,1. 管壁滑移和彈性回復(fù),管壁附近流體黏滯性較低(管壁附近剪切速率最大和流動(dòng)過(guò)程的分級(jí)效應(yīng)),因此流體容易在管壁處出現(xiàn)滑移,導(dǎo)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(dǎo)致徑向上產(chǎn)生彈性應(yīng)力,當(dāng)彈

43、性應(yīng)力增加到與黏滯阻力相當(dāng)時(shí),發(fā)生彈性回復(fù)管壁附近黏滯性最低且彈性應(yīng)力最大,因此彈性回復(fù)在管壁附近較易發(fā)生,,,熔體破裂(彈性湍流或應(yīng)力破碎):流體流速在某處瞬時(shí)增大并非雷諾數(shù)增大,而是彈性效應(yīng)所致熔體破裂擠出物形狀特征由管壁滑移和彈性回復(fù)的特征決定比如彈性湍流不穩(wěn)定點(diǎn)沿著管周?chē)苿?dòng),擠出物將呈螺旋狀扭曲如果不穩(wěn)定點(diǎn)在整個(gè)圓周上同時(shí)出現(xiàn),擠出物則呈粗糙的竹節(jié)狀,,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(dòng)時(shí)受到的剪切作

44、用不一樣,因而液流中產(chǎn)生不均勻的偽彈性,偽彈性回復(fù)能引起熔體破裂現(xiàn)象入口死角區(qū)域存在著旋渦流動(dòng),死角區(qū)流體在停留時(shí)間內(nèi)使以前發(fā)生的彈性應(yīng)變部分或全部回復(fù),并且熱降解比其它區(qū)域的流體厲害,因此流出管口時(shí)可引起極不一致的彈性回復(fù)。彈性回復(fù)力差異能克服黏滯阻力時(shí)將引起擠出物畸變和斷裂。,,二、熔體破裂的影響因素,影響因素:聚合物性質(zhì)、剪應(yīng)力(或速率)、流動(dòng)管道及口模幾何形狀等非牛頓性越強(qiáng)(PP、HDPE、PVC):流速分布呈柱塞形,入口處

45、不易產(chǎn)生旋渦,熔體破裂通常是入口區(qū)域或管中流動(dòng)時(shí)的剪切彈性形變過(guò)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(shè)備和口模結(jié)構(gòu)不合理時(shí)容易引起熱歷史和流動(dòng)歷史差異而出現(xiàn)熔體破裂,,合適的剪應(yīng)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105~107Pa數(shù)量級(jí),平均值約1.25×105Pa不同聚合物和不同分子量的熔體黏度相差較大,

46、因而 可能相差很大,,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(dāng)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(dòng)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(shí)的剪切速率,,鯊魚(yú)皮癥:擠出物表面上形成很多細(xì)微的皺紋,類似于鯊魚(yú)皮鯊魚(yú)皮癥是另一較輕微的表層不穩(wěn)定

47、流動(dòng)現(xiàn)象特征:隨不穩(wěn)定流動(dòng)程度不同,皺紋或密或疏,呈人字形、魚(yú)鱗狀到鯊魚(yú)皮狀等鯊魚(yú)皮癥常見(jiàn):LDPE擠出物鯊魚(yú)皮癥現(xiàn)象原因:管壁滑移,彈性回復(fù),對(duì)擠出物的外部牽引力不穩(wěn)定,,2.6 高分子流變性能的測(cè)定,理論(經(jīng)驗(yàn))公式常不能很好反映實(shí)際,因此實(shí)驗(yàn)測(cè)定流變性能和繪制流動(dòng)曲線剪切流變測(cè)試儀器:毛細(xì)管流變儀、旋轉(zhuǎn)式流變儀和落球黏度計(jì)等可用于測(cè)量10-3~1011Pa·s的剪切黏度拉伸流變儀兩類:穩(wěn)態(tài)拉伸流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)拉伸

48、流動(dòng)用于測(cè)定熔體黏彈性行為的動(dòng)態(tài)流變儀:偏心盤(pán)流變儀、拉伸振動(dòng)流變儀等高分子流體流變性能測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際成形條件選用流變儀和設(shè)定測(cè)試條件,2.6.1 毛細(xì)管流變儀2.6.2 旋轉(zhuǎn)式流變儀2.6.3 拉伸流變儀,,2.6.1 毛細(xì)管流變儀,應(yīng)用:主要用于測(cè)定聚合物熔體流變性能,可用于測(cè)定聚合物溶液流變性能常用類型:擠壓式毛細(xì)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9.5mm~24mm,最大裝料

49、容積60mL。料筒外有加熱裝置,測(cè)溫范圍為室溫~400℃(現(xiàn)最高500℃),帶低溫附件時(shí)可至-40℃,測(cè)控溫精度±0.1℃。毛細(xì)管直徑一般在0.5~1.5mm之間,,圖2.20 擠壓式毛細(xì)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-加熱器外殼 5-毛細(xì)管 6-底部加熱器 7-熱電偶測(cè)溫計(jì) 8-中部加熱器9-頂部加熱器 10-儀器支架,,方法:通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程柱塞施力值和柱塞下降速度,然后計(jì)算管壁處 、

50、 和 ,可繪出 、 和 等流動(dòng)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(xì)管直徑, 為毛細(xì)管長(zhǎng)度, 為柱塞下移速度。,,入口效應(yīng)、熱效應(yīng)、壁面滑移、料筒中壓力降和熔體可壓縮等因素以至計(jì)算結(jié)果應(yīng)進(jìn)

51、行必要的校正測(cè)定流動(dòng)數(shù)據(jù)的校正:壓力降、熱效應(yīng)、熔體壓縮性和非牛頓等影響的校正毛細(xì)管 比值大于20時(shí)壓力降校正可忽略多數(shù)情況下熱效應(yīng)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(jìn)行校正采用Rabinowitch或Baglay修正等作非牛頓校正,,2.6.2 旋轉(zhuǎn)式流變儀,應(yīng)用:測(cè)定高分子熔體或濃溶液在狹縫間的黏性流動(dòng)行為,還可研究彈性行為和松弛特性等, 范圍10-5~106Pa和 范圍10-3~1

52、03s-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,,M,Ri,Ro,L,θ,M,R,M,M,υθ,ω,ω,νφ,φ,φ,ω,R,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,,轉(zhuǎn)筒式流變儀:通常采用圓筒固定而圓柱轉(zhuǎn)動(dòng)的方式距圓筒軸心處

53、 的 、 和 : 式中, 為平衡時(shí)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,,2.6.3 拉伸流變儀,一、穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀測(cè)試: 保持恒定Ballman法和Meissner法:試樣浸

54、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),,,Ballman法拉伸流變儀:熔體試樣長(zhǎng)度隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系 增長(zhǎng)單軸拉伸黏度 :試驗(yàn)條件:①試樣拉伸變形均勻,不能出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象;② 應(yīng)控制在<(4~7)的低應(yīng)變狀態(tài);③Ballman法是垂直拉伸,對(duì)油浴密度要求不很?chē)?yán)格,,圖2.24 Ballman法拉伸流變儀1-角位移傳感器 2-伺服電機(jī)3-卷

55、線盤(pán) 4-線帶 5-保溫加熱套6-油池 7-試樣 8-壓力傳感器,,Meissner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(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)度 ,拉簧片上的應(yīng)變片傳感器可測(cè)得夾緊拉力 或驅(qū)動(dòng)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(cè)定最終

56、的回復(fù)長(zhǎng)度試驗(yàn)條件:①保證試樣在整個(gè)長(zhǎng)度方向上均勻,拉伸應(yīng)力應(yīng)恒定;②以秒鐘計(jì)驅(qū)動(dòng)滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng),保持應(yīng)變速率恒定,,,圖2.25 Meissner法拉伸流變儀1-金屬簧片 2-應(yīng)變片測(cè)試簧片拉伸變形 3-驅(qū)動(dòng)電機(jī)4-驅(qū)動(dòng)滾輪 5-試樣 6-剪斷刀 7-阻尼夾緊滾輪,,二、非穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀,熔體紡絲是非穩(wěn)態(tài)拉伸流動(dòng),測(cè)定拉伸黏度可研究合成纖維相對(duì)可紡性非穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀:擠出物在空氣中冷卻,被電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鼓輪拉伸成為纖維,鼓輪支承上的拉

57、伸力 可測(cè)得。試驗(yàn)時(shí)通常逐漸提高鼓輪的轉(zhuǎn)速,注意拉力 的變化,直到纖維斷裂,可獲知纖維熔體的強(qiáng)度。,,實(shí)質(zhì):獲得纖維與鼓輪接觸點(diǎn) 處表觀拉伸黏度 、 分別為接觸點(diǎn) 處的纖維拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變速率                      為接觸點(diǎn) 處流變張

58、力, 、 分別為口模、最終纖維的半徑, 、 分別為口模擠出處、鼓輪接觸點(diǎn)處熔體線速度, 為擠出脹大比,,圖2.26 熔體紡絲的非穩(wěn)態(tài)拉伸流動(dòng),,目前有商業(yè)化流變儀將毛細(xì)管流變儀和非穩(wěn)態(tài)拉伸流變儀組合成一套流變儀具有測(cè)定拉伸黏度、擠出物脹大、壁滑速度、熔體破裂、流動(dòng)溫度、材料降解、應(yīng)力松弛、熔體強(qiáng)度等多種功能配有相應(yīng)計(jì)算軟件,直接顯示和輸出流變數(shù)據(jù)與流變曲線,,本 章 小 結(jié),成形流變特征:高分子流體通常為層流狀態(tài)

59、;穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng);剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng);一維流動(dòng)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng);等溫流動(dòng)和非等溫流動(dòng)一、高分子成形的剪切流動(dòng)高分子流體通常為非牛頓型流體:黏性流體、黏彈性流體和時(shí)間依賴性流體黏性流體和黏彈性流體:假塑性流體、脹塑性流體和賓漢流體3種類型,冪律方程(即指數(shù)定律方程)是描述黏性流體剪切流變行為的重要方程時(shí)間依賴性流體類型:觸變性流體和震凝性流體影響因素:溫度、壓力、剪切速率、分子結(jié)構(gòu)、組成和外加力場(chǎng)等,二、高分子成形的拉

60、伸流動(dòng)拉伸流動(dòng):抑制性拉伸流動(dòng)和非抑制性拉伸流動(dòng)抑制性拉伸流動(dòng)稱為收斂流動(dòng),是剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的復(fù)合非抑制性拉伸流動(dòng)是純粹的拉伸流動(dòng),三、高分子成形的流動(dòng)分析冪律流體在等徑圓管流道的等溫穩(wěn)態(tài)層流是一維流動(dòng)管中心的剪應(yīng)力和剪切速率為零,管壁處的剪應(yīng)力和剪切速率最大 值影響流體在等徑圓管流道中的流動(dòng)速度分布曲線形狀和特征,,四、高分子成形的流體彈性最常見(jiàn)彈性行為:入口效應(yīng)、離模膨脹和熔體破裂入口效應(yīng)通常認(rèn)為是由入口處拉

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