第二章高分子材料成形工艺高分子成形流变学基础.ppt

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1、第二章 高分子成形流变学基础,2.1 高分子成形的流动特征 2.2 高分子成形的剪切流动 2.3 高分子成形的拉伸流动 2.4 高分子成形的流动分析 2.5 高分子成形的流体弹性 2.6 高分子流变性能的测定,2.1 高分子成形的流动特征,高分子流体成形过程的流变行为十分复杂：黏性和弹性的复杂组合 流动过程黏性阻力，热效应，温度变化；流体结构甚至有时间相关性 流动变形影响因素：温度、压力、流动状态、应力方式、分子结构和组织结构等,一、层流和湍流,两种流动状态：层流和湍流 层流状态时流体质点无横向迁移和窜流 湍流时流体质点存在明显的横向迁移和窜流，流动中存在强烈流体混合 高分子成形过程中流体流动

2、一般都为层流 挤出、注射、压延等成形流体黏度通常很大；浇铸、压制等成形流速很低,二、稳态流动和非稳态流动,稳态流动：流道任何部位的流速、物理状态均不随时间而变化，但是各部位不一定相同，比如挤出机的正常操作过程 非稳态流动：流动状况随时间而变化，比如熔体充模过程,三、剪切流动和拉伸流动,成形流动两种主要类型：剪切流动和拉伸流动 剪切流动：流体受到剪切应力作用产生的流动，挤出机、注射机和口模等的流动 拉伸流动：纺丝细流离开喷丝孔处时受拉伸和流体在截面积变化流道中的流动等 实际成形过程：常常既受剪切应力作用又受拉伸应力作用，还受流体静压力作用，实际流动往往是二者或多者的组合,（按流动边界条件分）剪切

3、流动：拖曳流动和压力流动 拖曳流动：由边界运动而产生的流动，如运转辊筒表面流体的流动 压力流动：边界固定，外加压力作用于流体而产生的流动。浇铸流道和挤出流道,四、一维流动、二维流动和三维流动,一维流动：流体内部质点速度仅在一个方向上变动，如等径圆管中稳态层流 二维流动：流道内各质点的速度需要用两个垂直于流动方向的坐标来表示 比如流体在矩形或椭圆形截面流道中流动,三维流动：质点速度沿截面的纵横两个方向和主流动方向都在变化 比如流体在锥形或收缩形的矩形体管道中的收敛流动 有的二维流动可近似按一维流动处理：平行板狭缝流道和间隙很小圆环形流道,五、等温流动和非等温流动,等温流动：指流体各处的温度均相等

4、且保持不变的流动 等温流动情况下流体与外界可以热交换，但传入和输出的热量相等 实际成形的流动一般在流道径向和轴向都存在温度梯度，为非等温流动,原因：流道各区域有意控温；流动时径向黏性摩擦生热效应差异；流动压力降以至膨胀产生冷却效应，径向膨胀冷却效应差异不同 本章主要讨论流体在等温稳态层流时行为表现,2.2 高分子成形的剪切流动,流体流变性质的主要表现：黏度 成形流变学最重要的内容：流体的黏度及其变化规律 流体类型：牛顿型流体和非牛顿型流体 流动行为相应分别为牛顿型流动和非牛顿型流动 流动曲线：剪应力（或剪切粘度）与剪切应变速率之间关系的曲线,2.2.1 牛顿流体及其流动 2.2.2 非牛顿流体

5、及其流动 2.2.3 剪切流动的影响因素,2.2.1 牛顿流体及其流动,速度梯度： 是一个流层相对于邻近流层移动的距离，它是剪切力作用下该层流体产生的剪切应变 ，即 剪切速率 ：,x,dy(dr,著名牛顿粘性定律方程： 所有非聚合态流体（如低分子有机物和水等）都属于牛顿流体 牛顿流体特征： 牛顿粘度 是一常数，不随剪切速率 而变化 牛顿流体曲线 是通过直角坐标系原点的直线，斜率即是 牛顿流体的应变具有不可逆性，是纯粘性流动,2.2.2 非牛顿流体及其流动,非牛顿型流体黏度 ：剪应力或剪切速率依赖性 类型：黏性流体、黏弹性流体和时间依赖性流体 黏性流体应变都是不可逆，黏弹性流体部分应变可逆 黏弹

6、性流体：常先作黏性流体处理然后根据弹性进行修正，可简化流动分析计算 黏性流体和黏弹性流体类型：假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体 时间依赖性流体：触变性流体和震凝性流体,图2.3 典型流体的曲线 1牛顿流体 2假塑性流体 3胀塑性流体,图2.2 典型流体的曲线 1牛顿流体 2假塑性流体 3膨胀性流体 4宾汉流体 5复合型流体,一、黏性流体,1假塑性流体 多数高分子流体（包括熔体、溶液和悬浮体等）都属于假塑性流体 流变特征：剪切黏度随剪切速率或剪应力增大而降低，因此常称为剪切稀化流体,宽剪切速率范围流变行为三区域：第一牛顿区、非牛顿区和第二牛顿区 低剪切速率时为牛顿流体，黏度为零切黏度 中等剪切速

7、率范围为假塑性流体，黏度常采用表观黏度 剪切速率很高时再次为牛顿流体，黏度称为极限黏度 流动特征与聚合物分子的长链结构和分子缠结形成的拟网络结构有关,分子链间相互缠结或范德华力相互作用形成链间瞬态物理交联动态平衡 低剪切速率区：剪切导致的物理交联点破坏很少，能够为热运动及时重建 剪切速率逐渐增加到一定值后：物理交联点被破坏的速度大于重建的速度 剪切速率很高：物理交联点的破坏完全来不及重建时，黏度降到最小值,表2.1 部分成形工艺的剪切速率范围,挤出、注射和压延成形时高分子流体大多处于非牛顿区且多为假塑性,2胀塑性流体,流变特征：黏度随剪切速率或剪应力增大而升高，因此常称为剪切增稠流体 例：聚氯

8、乙烯糊和高填料含量聚合物流体等悬浮体 剪切增稠原因（多种）通常： 剪切速率不大：流体起润滑剂作用，悬浮体大致保持原有堆砌密度沿移动 剪切速率逐渐增大：颗粒碰撞机会增多，流动阻力增大；颗粒不能再保持静态时紧密堆砌，流体不能再充满增空隙，润滑作用减小，阻力增大,3宾汉流体,宾汉流体：剪应力低于 时流体类似于固体； 时流体才流动 原因（一般认为）：静态下组成该流体系统的基团、质点、悬浮颗粒间可能因为存在氢键、静电、范德华力或离子键等的作用，形成了三维立体拟网络结构 实例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸钙填充PP），非线性宾汉流体,4幂律方程,幂律方程（或称指数定律方程）： 幂律流体 称流体稠度， 值

9、越大，流体黏稠性越大 称为流动指数（也称非牛顿指数）， 值离数值1越远，则非牛顿性越突出,=1（牛顿流体）； 1（假塑性流体）； 1（胀塑性流体） 和 与温度有关： 随温度增加而减小， 随温度升高而增大,和 随 变化： 值范围在有限范围（如1个数量级）时可把 和 看作常数 对于假塑性流体： 随 的增大而增大 随 的增大而减小。 需要说明：有些黏性流体不完全服从幂律方程，流动规律更复杂,宾汉流体流变方程： =1线性宾汉流体， 1非线性宾汉流体 表观黏度 ： 真实黏度（或叫稠度） ：,二、时间依赖性流体,触变性流体：表观黏度随剪切持续作用时间（即黏性流动时间）的增长而降低 震凝性流体：流体表观黏度

10、随剪切持续作用时间的增加而逐渐增大 触变性流体较常见，震凝性流体很少遇到 原因分析：流动的时间依赖性行为可以用三维网络结构理论予以解释,触变性流体原因：静止时分子或质点之间存在非永久性的次价交联点形成了缔合网络结构，剪切力作用下网络结构会逐渐被破坏直至平衡。因此，表观黏度随剪切力增加而逐渐减小，并随应力作用时间增加而逐渐趋于某一平衡值 震凝性流体原因：流体中存在不对称的粒子（如椭球形线团或团粒），在剪切力场作用下逐渐取向排列形成暂时次价交联的缔合网络结构,时间依赖性流体的流变特征： （1）黏度变化可逆 （2）剪切速率一定时出现应力松弛，剪应力逐渐从最大（或小）变化至平衡值 （3）应力引起的应变

11、表现出滞后效应，存在 滞后环 流体具有触变性具有实用意义：如涂料具有触变性，可避免或减少流挂现象,2.2.3 剪切流动的影响因素,一、温度 温度升高，流体体积越大，分子间引力越小，流体表现的黏度越小 Andrade公式： 聚合物熔体黏流活化能一般1.0200.0KJ/mol 直接反映流体黏度的温度依赖性： 值越大，对温度越敏感 温敏差异：柔性链高分子流体黏度对温度不敏感，刚性链高分子对温度敏感,图2.6 聚合物熔体黏度对温度的依赖性 HDPE高密度聚乙烯 PC聚碳酸酯 PS聚苯乙烯 PSF聚砜,二、压力,高分子流体可压缩：熔体在110MPa压力下成形时体积压缩量小于1% 注射成形时注射压力有时

12、高达100MPa，体积压缩非常明显 体积压缩引起自由体积减少，分子间距缩小，分子间作用力增加，流体黏度增加 压力温度等效性：恒压下改变温度和恒温下改变压力可以获得等效黏度变化 压力温度等效性可用换算因子 来衡量,三、剪切速率,剪切速率敏感性差异：柔性链流体对剪切速率较敏感，刚性链敏感性差 高分子成形选择合适的剪切速率很重要 对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动性 对于薄型和复杂结构制品可克服充模不足的问题 确定剪切速率参数：在成形工艺可选择范围内选择黏度对 不敏感的剪切速率,四、分子结构与参数,1分子结构 分子间作用力越大，流体的黏度越大 分子极性 分子极性越大或分子间存在氢

13、键，则分子间作用力越大，流体的黏度越大,支化 短支链使分子堆砌密度下降，支链较短时支化聚合物黏度较小 长支链可能产生缠结，故 低下长支链聚合物黏度较高，但高 下剪切稀化效应很突出，黏度却比分子量相同线型聚合物黏度低,2分子量,分子量大，分子间作用力大，分子质心移动困难，流动性差，黏度高 Fox-Flory公式： 小于 时， =1.01.8；当 大于 时， =3.43.5 非牛顿性：随 提高，流体非牛顿行为更突出 成形制品时聚合物原料的分子量应合适，应兼顾制品力学性能和成形性能,3分子量分布,剪切速率低时分子量分布宽者的黏度比窄者高，但剪切速率较高时相反 原因：分子量分布宽则含有分子量很大的部分

14、且含量多 意义：分子量分布宽聚合物更容易挤出或注射成形（较高剪切速率的黏度较低）,五、组成,固体添加剂（如填料）都会使体系的黏度增大，流动性降低 流体添加剂（如增塑剂）往往使分子距离增大，流动性增大 高分子溶液黏度随着溶液浓度增大而增大，并且增加的幅度不断增大,六、外加物理场,物理场作用于流体的动态成形技术现已成为强化成形过程的新方法 聚合物电磁式动态塑化挤出成形和电磁式动态注射成形 直接物理场（如机械和超声波振动）使受力状态由组合应力决定 组合应力：通常导致流体表观黏度降低、弹性行为减弱、成形压力减小、功耗降低、制品微观结构发生变化等，从而改善成形性能和制品质量,2.3 高分子成形的拉伸流动

15、,高分子材料成形过程中常遇到流动行为与剪切流动不同的拉伸流动 拉伸流动的实验研究比较困难，有些问题尚不十分清楚 2.3.1 拉伸流动情形 2.3.2 拉伸流变特性,2.3.1 拉伸流动情形,收敛流动：流体在沿流动方向截面变小的流道中流动（或黏弹性流体从流道中流出时受到拉伸的流动），流体各部分流线不再相互平行 流线收敛角 ：流体将改变原有的流动方向以一自然锥角2 向小管流动,收缩型流道：流体扰动和压力降很大，功率消耗增大并可能影响制品质量 最常见收缩型流道：圆锥体形流道和楔形流道 挤出管材口模和注射模具常采用圆锥体形流道 挤出板材、片材、流涎薄膜口模常用楔形流道 收敛型流道作用：可以避免死角降低

16、总压力降减少流动缺陷（如弹性缺陷） 通常情况下 小于10,收敛流动类型：抑制性拉伸流动和非抑制性拉伸流动 抑制性拉伸流动：在收缩流道中流体的收敛流动 径向和轴向都存在速度梯度，剪切流动和拉伸流动的复合 非抑制性拉伸流动：流体从流道中挤出并受外力牵引拉伸的流动 纯拉伸流动，仅在轴向方向存在速度梯度 聚合物吹瓶、吹膜、挤管、纺丝、挤出板材或型材时离开口模的流动,2.3.2 拉伸流变特性,（根据应力方式）拉伸流动类型：单轴拉伸和双轴拉伸 收敛流道和挤出纺丝的流动过程属单轴拉伸 薄膜、薄型片材和压延等工艺有单轴拉伸流动和双轴拉伸流动两种方式 一、拉伸流动的流变方程,拉伸流变方程： 拉伸应变速率可用拉伸

17、速度梯度表示,二、拉伸黏度的影响因素,1. 温度 拉伸黏度 随温度的升高而降低 2. 拉伸应变速率 低 或 范围： 通常不变，牛顿流体行为（单轴拉伸时 ）,几乎与拉伸应力无关（如牛顿流体和聚合度较低的线型聚合物，聚丙烯酸酯类、聚酰胺、聚甲醛和ABS等） “拉伸硬化”或“拉伸变稠”：拉伸应力约增至剪切黏度开始下降的应力值后拉伸黏度增加（如低密度聚乙烯、聚异丁烯及聚苯乙烯等） “拉伸变稀”：拉伸应力约增至剪切黏度下降的应力值后拉伸黏度下降（如聚丙烯和高密度聚乙烯等聚合度较高的线性聚合物）,较高 或 ，拉伸黏度变化分为3种类型,图2.11 拉伸黏度与分子结构、拉伸应力间关系,需要注意：有的流体表现出

18、较复杂拉伸流动行为（如6.44%聚丁二烯萘烷溶液先拉伸变稀、后拉伸变稠） 或 很高：拉伸流动又表现为牛顿流体行为 “拉伸变稠”特性重要意义：对化学纤维拉伸、吹塑薄膜、流涎薄膜（片）等的成形稳定较有利（薄弱部分或应力集中区域发生拉伸变细时该部位的拉伸应变速率将增大，该细化部位抵抗继续拉伸的能力提高，不致拉断）,3. 填料,填料及其形状、用量对流体的拉伸黏度会产生影响 比如：聚丙烯酰胺稀溶液加入玻璃珠，则拉伸黏度随拉伸速率增加而下降 长纤维作填料则用量很低（如1v%），拉伸黏度比剪黏大几百倍 4. 流体静压力 流体静压力增加，拉伸黏度增大,2.4 高分子成形的流动分析,成形设备和模具各异，基本截面

19、：圆形、环形、狭缝形、矩形、梯形及椭圆形等 极端截面形状：圆形和狭缝形流道两种 设备流道和型腔的流动分析意义：可为设备与模具设计、成形工艺问题的理解、成形工艺参数的确定和提高设备产能提供依据 流动分析极其困难：流体在管隙中的流动十分复杂，影响因素很多,圆形流道是最常见流道形式，仅对等径圆管流道的等温稳态层流分析讨论 假设包括：流体不可压缩；流道壁处流体无滑移，即流道壁流体流速为零；流体黏度不随时间而变化；入口和出口效应可忽略 实际稳态层流流动不完全符合假设：如流道壁滑移、流道各处温度不均匀性、流体可压缩、非严格层流等 假设不会引起大的偏差，计算和分析结果与实际情况比较接近,2.4.1 基本方程

20、的推导 2.4.2 基本方程的讨论 2.4.3 流动的非等温现象,2.4.1 基本方程的推导,一、剪应力分布 流体在等径圆管流道中的流动是一维流动 半径 、长度 的等径圆管流道，半径 、长度 的流体微液柱体元受力 稳态层流,(a)受力分析 (b)体积流率微分分析面元图图2.12 流体在等径圆管流道中的流动分析,为压力梯度，稳态流动中与圆管全长范围内压力降 相同 流体某处剪应力 是该处离管中轴距离 的线性函数 管中轴处 =0， =0；在管壁处 = ， 为最大值,二、流速分布,流道壁处流体无滑移（即流道壁流体流速为零），以 、 为上下限对 积分得：,管壁处 = ：管壁处速度 =0 管中轴处 =0：

21、管中轴处流速 最大：,三、体积流率计算,等径圆管中流动的等速线为同心圆，体积流率分析微区面元图分析： 积分和整理得幂律流体体积流量方程：,四、剪切速率计算,由幂律方程 得： 管壁处 = ，管壁处真实剪切速率 ： 是著名Rabinowitch修正系数,2.4.2 基本方程的讨论,一、各式对于牛顿流体和非牛顿流体都适用 二、如果将流体在等径圆管中的平均流速设为 ，则 ，有：,图2.13 值不同时圆管中流体流动的速度分布,牛顿流体 =1：流速分布曲线为抛物线形，管中心流速为平均流速两倍 胀塑性流体 1：流速分布曲线较陡峭， 值越大，越接近于锥体形 = 锥体形，管中心速度为平均速度3倍 假塑型性流体

22、1：流速分布曲线较平坦， 越小，越平坦（ =0为柱塞流动）,三、柱塞运动区没有剪切作用，均化作用差，对于多组分物料加工不利,对于 值较小、柱塞流动区较大的多组分流体，可考虑配置相应的混合器或采用螺杆甚至双螺杆挤出机输送挤出 非牛顿流体在等径圆管中的压力降表达式：,图2.14 圆管中柱塞运动速度分布,四、流速是距管中轴的距离作为唯一自变量的函数，是一维流动,剪应力与距管中轴的距离成正比，呈线性分布 管中轴处剪应力和剪切速率为零，管壁处剪应力和剪切速率最大 流速和体积流率均随管径和压力降增大而增大，随流体黏度和管长的增加而减小,值得注意：流体的实际流量常比计算值大 原因：实际流体在管壁处通常都有一

23、定程度的滑移，即 多组分流体流动产生分层流动 高分子流体流动存在分子量分级流动,2.4.3 流动的非等温现象,黏滞生热效应：生热量与剪切应力（速率）相关 管中轴附近的剪应力和剪切速率较低，黏滞生热小，温升小 管壁处因剪应力和剪切速率最大，黏滞生热高，温升大,膨胀冷却效应：流动产生压力降，流动方向上体积逐渐膨胀，出现冷却效应 管中轴处膨胀较自由，管中轴附近冷却效应大 管壁处流体膨胀受到管壁限制，管壁处冷却效应最小 黏滞摩擦生热和膨胀冷却导致管中轴处的流体温度比管壁处的流体温度低,流体在等径圆管中流动温度分布Toor半经验公式 式中， 为距圆管中心、半径为 处的温度， 为管壁处温度， 为管中心温度

24、， 为圆管的内半径， 为热膨胀系数 =0时流体中心温度与管壁处温度之差， 为圆管横截面上温度与热膨胀系数乘积的平均值。,图2.15 不同值的幂律流体沿圆管 半径方向上的温度分布 1m=1, =0；2m=1, =0.3； 3m=4, =0.3,规律：流体假塑性越强，冷却效应使中心区域温度降低越显著， 区域内温度最高。管壁附近区域温度不是最高的原因是由于管壁短程热传导 尽管并非是理想的等温流动，但当作等温流动处理不会引起大的偏差,2.5 高分子成形的流体弹性,高分子流体流动不同程度地表现出弹性行为，对高分子成形影响很大 最常见弹性行为：端末（或巴拉斯）效应（入口效应、离模膨胀）和熔体破裂 2.5.

25、1 端末效应 2.5.2 熔体破裂,2.5.1 端末效应,一、入口效应现象与机理 入口效应：高分子流体从大口径进入小口径时入口区域的压力降很大的现象 机理：（1）拉伸流动 收敛流动方式，轴向产生速度梯度，拉伸形变消耗能量 （2）剪切增强 平均流速增大，剪切速率增大，剪切应力相应增大，剪切应力增加必然产生大的压力降；剪切增强使大分子伸展与取向程度提高，剪切高弹形变增加能量消耗 按照体积流率-压力降方程计算压力降时（L+6R）或（L+3D）代替L,二、离模膨胀现象与机理,离模膨胀或出口膨化效应（挤出物胀大），Df/D通常称为膨胀比 离模膨胀效应是流动弹性行为，通常认为来源于弹性贮能和法向应力两个方

26、面,2.16 高分子流体在入口区域和出口区域的流动图,（1）弹性贮能 入口区Le段的收敛流动产生拉伸弹性应变和剪切弹性应变 流道Ls段的剪切流动引起剪切弹性应变 （2）法向应力 黏弹性流体发生剪切变形时出现法向应力差，离模时将使液流发生膨胀 法向应力差越大，离模膨胀比越大,L/D很大（如L/D 16）：Le段入口弹性应变在Ls段松弛，离模膨胀主要原因是Ls段剪切弹性能和法向应力差 L/D很小：Le段入口弹性应变来不及完全松弛，模膨胀主要原因是Le段剪切和拉伸作用所贮存弹性能,三、端末效应的影响因素,凡是导致流动中弹性成分增加的因素，都使入口效应和离模膨胀效应突出 （1）分子量高、分子量分布窄、

27、非牛顿性强和弹性模量低的聚合物，入口效应和离模膨胀效应显著 （2）随剪切速率提高，入口效应和出口膨胀更突出 （3）随温度提高，入口效应和离模膨胀效应减弱，但最大离模膨胀比增大，出现最大离模膨胀比的剪切速率增大,（4）减小入口收敛角可减小入口效应和降低离模膨胀；适当增大L/D，离模膨胀比降低 （5）非圆形截面口模离模膨胀程度在不同方向存在差异 狭缝口模：厚度方向膨胀比比宽度方向膨胀比大 圆形口模 剪切应变下径向膨胀比介于狭缝口模两方向膨胀比 拉伸应变时则和狭缝口模厚度方向的膨胀比相同,入口效应和离膜膨胀通常对高分子成形都不利 可能导制产品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定性和导致内应力 生产措施： L

28、/D应尽可能使入口效应消除 适当降低成形速度、提高成形温度和对挤出物适当牵引或拉伸等,2.5.2 熔体破裂,熔体破裂是极端不稳定流动现象：临界剪应力和临界剪切速率,图2.18 PMMA在170下不同剪切应力 所发生的不稳定流动的挤出物外观,一、熔体破裂机理,熔体破体机理不很清楚，通常认为两个原因： 流体流动时在管壁上出现滑移和流体中的弹性发生回复 流体内部热历史和剪切历史存在差异,1. 管壁滑移和弹性回复,管壁附近流体黏滞性较低（管壁附近剪切速率最大和流动过程的分级效应），因此流体容易在管壁处出现滑移，导致流体流速增大 管壁处剪切速率及其梯度最大，剪切弹性形变和弹性贮能较大，导致径向上产生弹性

29、应力，当弹性应力增加到与黏滞阻力相当时，发生弹性回复 管壁附近黏滞性最低且弹性应力最大，因此弹性回复在管壁附近较易发生,熔体破裂（弹性湍流或应力破碎）：流体流速在某处瞬时增大并非雷诺数增大，而是弹性效应所致 熔体破裂挤出物形状特征由管壁滑移和弹性回复的特征决定 比如弹性湍流不稳定点沿着管周围移动，挤出物将呈螺旋状扭曲 如果不稳定点在整个圆周上同时出现，挤出物则呈粗糙的竹节状,2. 热历史和剪切历史差异,流体在入口区域和管内流动时受到的剪切作用不一样，因而液流中产生不均匀的伪弹性，伪弹性回复能引起熔体破裂现象 入口死角区域存在着旋涡流动，死角区流体在停留时间内使以前发生的弹性应变部分或全部回复，

30、并且热降解比其它区域的流体厉害，因此流出管口时可引起极不一致的弹性回复。弹性回复力差异能克服黏滞阻力时将引起挤出物畸变和断裂。,二、熔体破裂的影响因素,影响因素：聚合物性质、剪应力（或速率）、流动管道及口模几何形状等 非牛顿性越强（PP、HDPE、PVC）：流速分布呈柱塞形，入口处不易产生旋涡，熔体破裂通常是入口区域或管中流动时的剪切弹性形变过大而引起 非牛顿性较弱（PET、LDPE）：流速分布近抛物线型，入口处易产生旋涡，设备和口模结构不合理时容易引起热历史和流动历史差异而出现熔体破裂,合适的剪应力和剪切速率是避免出现熔体破裂的重要工艺因素 聚合物不同，出现熔体破裂的 和 不同 大多约在10

31、5107Pa数量级，平均值约1.25105Pa 不同聚合物和不同分子量的熔体黏度相差较大，因而 可能相差很大,熔体弹性行为越突出， 值越低 分子量增加和分子量分布变窄， 值降低 提高温度， 和 值均增加，特别是 值 减小收敛角，适当增大 ，流道表面流线型化， 值提高 高分子成形温度下限不是流动温度 或 ，而是产生熔体破裂的温度 挤出速度的上限是出现熔体破裂时的剪切速率,鲨鱼皮症：挤出物表面上形成很多细微的皱纹，类似于鲨鱼皮 鲨鱼皮症是另一较轻微的表层不稳定流动现象 特征：随不稳定流动程度不同，皱纹或密或疏，呈人字形、鱼鳞状到鲨鱼皮状等 鲨鱼皮症常见：LDPE挤出物 鲨鱼皮症现象原因：管壁滑移，

32、弹性回复，对挤出物的外部牵引力不稳定,2.6 高分子流变性能的测定,理论（经验）公式常不能很好反映实际，因此实验测定流变性能和绘制流动曲线 剪切流变测试仪器：毛细管流变仪、旋转式流变仪和落球黏度计等 可用于测量10-31011Pas的剪切黏度 拉伸流变仪两类：稳态拉伸流动和非稳态拉伸流动 用于测定熔体黏弹性行为的动态流变仪：偏心盘流变仪、拉伸振动流变仪等 高分子流体流变性能测试时应根据实际成形条件选用流变仪和设定测试条件,2.6.1 毛细管流变仪 2.6.2 旋转式流变仪 2.6.3 拉伸流变仪,2.6.1 毛细管流变仪,应用：主要用于测定聚合物熔体流变性能，可用于测定聚合物溶液流变性能 常用

33、类型：挤压式毛细管流变仪，剪切速率10-1 106s-1，覆盖多数成形工艺 构造：料筒直径9.5mm24mm，最大装料容积60mL。料筒外有加热装置，测温范围为室温400（现最高500），带低温附件时可至40，测控温精度0.1。毛细管直径一般在0.51.5mm之间,图2.20 挤压式毛细管流变仪结构示意图 1环形加热器 2料筒 3料筒夹套 4加热器外壳 5毛细管 6底部加热器 7热电偶测温计 8中部加热器 9顶部加热器 10仪器支架,方法：通过测定试验过程柱塞施力值和柱塞下降速度，然后计算管壁处 、 和 ，可绘出 、 和 等流动曲线 式中， 为施加于柱塞的力， 为柱塞直径（即料筒直径）， 为料

34、筒截面积， 为毛细管直径， 为毛细管长度， 为柱塞下移速度。,入口效应、热效应、壁面滑移、料筒中压力降和熔体可压缩等因素以至计算结果应进行必要的校正 测定流动数据的校正：压力降、热效应、熔体压缩性和非牛顿等影响的校正 毛细管 比值大于20时压力降校正可忽略 多数情况下热效应影响的校正可忽略 熔体压缩性校正根据聚合物状态方程进行校正 采用Rabinowitch或Baglay修正等作非牛顿校正,2.6.2 旋转式流变仪,应用：测定高分子熔体或浓溶液在狭缝间的黏性流动行为，还可研究弹性行为和松弛特性等， 范围10-5106Pa和 范围10-3103s-1 类型：转筒式流变仪、平行板式流变仪 锥板式流

35、变仪 转筒式更适合于浓溶液，后两者主要用于聚合物熔体,M,Ri,Ro,L,M,R,M,M,R,图2.21 转筒式流变仪 的结构与速度分布,图2.22 锥板式流变仪的结构与速度分布,图2.23 平行板式流变仪的结构与速度分布,转筒式流变仪：通常采用圆筒固定而圆柱转动的方式 距圆筒轴心处 的 、 和 ： 式中， 为平衡时圆柱转矩， 为角速度， 和 分别为圆筒内半径和圆柱半径， 为圆柱浸液高度,2.6.3 拉伸流变仪,一、稳态拉伸流变仪 测试： 保持恒定 Ballman法和Meissner法：试样浸浴于热油中，热油与试样密度相同，试样漂浮在热油中，在垂直方向作用力为零，并保持熔体状态,Ballman

36、法拉伸流变仪：熔体试样长度随时间呈指数关系 增长 单轴拉伸黏度 ： 试验条件：试样拉伸变形均匀，不能出现颈缩现象； 应控制在（47）的低应变状态；Ballman法是垂直拉伸，对油浴密度要求不很严格,图2.24 Ballman法拉伸流变仪 1角位移传感器 2伺服电机 3卷线盘 4线带 5保温加热套 6油池 7试样 8压力传感器,Meissner法拉伸流变仪：聚合物熔体试样被密度相同的热油浸漂，试样由一对反向转动的驱动滚轮以作用力 夹紧，滚轮（表面线速度 ）以恒定 使试样被拉伸长度 ，拉簧片上的应变片传感器可测得夹紧拉力 或驱动力矩 ，试样另一端的夹紧滚轮提供拉伸的平衡力。剪断刀在拉伸结束后将试样

37、剪断以测定最终的回复长度 试验条件：保证试样在整个长度方向上均匀，拉伸应力应恒定；以秒钟计驱动滚轮的转动，保持应变速率恒定,图2.25 Meissner法拉伸流变仪 1金属簧片 2应变片测试簧片拉伸变形 3驱动电机 4驱动滚轮 5试样 6剪断刀 7阻尼夹紧滚轮,二、非稳态拉伸流变仪,熔体纺丝是非稳态拉伸流动，测定拉伸黏度可研究合成纤维相对可纺性 非稳态拉伸流变仪：挤出物在空气中冷却，被电机驱动的鼓轮拉伸成为纤维，鼓轮支承上的拉伸力 可测得。试验时通常逐渐提高鼓轮的转速，注意拉力 的变化，直到纤维断裂，可获知纤维熔体的强度。,实质：获得纤维与鼓轮接触点 处表观拉伸黏度 、 分别为接触点 处的纤维

38、拉伸应力和拉伸应变速率 为接触点 处流变张力， 、 分别为口模、最终纤维的半径， 、 分别为口模挤出处、鼓轮接触点处熔体线速度， 为挤出胀大比,图2.26 熔体纺丝的非稳态拉伸流动,目前有商业化流变仪将毛细管流变仪和非稳态拉伸流变仪组合成一套流变仪 具有测定拉伸黏度、挤出物胀大、壁滑速度、熔体破裂、流动温度、材料降解、应力松弛、熔体强度等多种功能 配有相应计算软件，直接显示和输出流变数据与流变曲线,本 章 小 结,成形流变特征：高分子流体通常为层流状态；稳态流动和非稳态流动；剪切流动和拉伸流动；一维流动、二维流动和三维流动；等温流动和非等温流动 一、高分子成形的剪切流动 高分子流体通常为非牛顿

39、型流体：黏性流体、黏弹性流体和时间依赖性流体 黏性流体和黏弹性流体：假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体3种类型,幂律方程（即指数定律方程）是描述黏性流体剪切流变行为的重要方程 时间依赖性流体类型:触变性流体和震凝性流体 影响因素：温度、压力、剪切速率、分子结构、组成和外加力场等,二、高分子成形的拉伸流动 拉伸流动：抑制性拉伸流动和非抑制性拉伸流动 抑制性拉伸流动称为收敛流动，是剪切流动和拉伸流动的复合 非抑制性拉伸流动是纯粹的拉伸流动,三、高分子成形的流动分析 幂律流体在等径圆管流道的等温稳态层流是一维流动 管中心的剪应力和剪切速率为零，管壁处的剪应力和剪切速率最大 值影响流体在等径圆管流道中的流动速度分布曲线形状和特征,四、高分子成形的流体弹性 最常见弹性行为：入口效应、离模膨胀和熔体破裂 入口效应通常认为是由入口处拉伸流动和剪切增强所导致 离模膨胀效应通常认为是弹性贮能和法向应力所引起 熔体破裂原因：管壁滑移和弹性回复；热历史和剪切历史差异 五、高分子流变性能的测定 简要介绍毛细管流变仪、旋转式流变仪和拉伸流变仪,THANK YOU !,