第三章聚合物液體在管和槽中的流動

1、第三章聚合物液體在管和槽中的流動一、本章基本內(nèi)容：1、在簡單幾何形狀管道內(nèi)聚合物液體的流動2、聚合物液體流動過程的彈性行為3、聚合物液體流動性測量方法簡介二、學(xué)習(xí)目的與要求：1、掌握聚合物流體流變行為的類型和特點。2、掌握影響流動的因素。3、了解聚合物的彈性行為和不穩(wěn)定流動。三、本章重點、難點：重點：1、假塑性流體在圓管中的流動2、聚合物流體的彈性效應(yīng)難點：1、流動規(guī)律的理解2、彈性行為引起的各種不穩(wěn)定流動現(xiàn)象課時：4第一節(jié)在簡單幾何形狀管道內(nèi)聚合物液體的流動聚合物液體的流變行為很復(fù)雜，所受的影響因素很多：聚合物體積可壓縮一一密度將發(fā)生變化（Vf的存在）；在高剪切作用下，液體在管壁處會產(chǎn)生滑動

2、一一粘度變化：流道各處溫度不同（粘度、密度、流速、體積流率等變化）。但大多數(shù)聚合物的粘度很高，雷諾準數(shù)不大，為簡化分析計算過程，進行四個假設(shè)：（1）液體不可壓縮（2）等溫流動（3）管壁處無滑移（4）粘度不隨時間變化實踐證明假設(shè)可行，影響不大。一、聚合物液體在圓管中的流動具有均勻圓形截面且沿管軸方向半徑均保持恒定的簡單圓形管道是很多加工和成型設(shè) 備中最常用的通道形式。如注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道，擠出機機頭通道或口模以及纖維紡絲的噴絲板孔道 等大多采用圓形截面。在簡單圓管中液體通常在壓力作用下只產(chǎn)生一維剪切流動。（一）牛頓液體在簡單圓管中的流動液柱單元受力分析：A向B流動，有壓力降F1：自A向B

3、流動的推力F2：粘滯作用阻力：F3：外側(cè)剪切流動阻力穩(wěn)態(tài)流動時 工/=+乙+=0即：刀口尸一加二（P - AP） - 2 m% = 0整理得：心尸、r&PTr =-（）Tr =2 dlr 2L管中心處r=0時，t =0管壁處廠R時，RP即t = 2tr =rK R說明：剪應(yīng)力在液體中的分布與半徑r成正比。 剪應(yīng)力分布剪應(yīng)力分布流速v牛頓流體滿足方程R&PR2Ap管中心處廠0時,4/L管壁處v=0平均流速-=Vy/ 任意處液體流速分布說明牛頓流體在圓形管道中流動時速度分布呈拋物線形任意半徑處的剪切速率為:體積流動速率Q液體在管中流動時流速為剪切速率8/L所以管壁處的剪切速率為：十嗡十鈉）（二）非

4、牛頓液體在簡單圓形管中的流動大多數(shù)聚合物液體都是典型的非牛頓液體，仍為層流穩(wěn)態(tài)流動，引入非牛頓指數(shù) n,得出經(jīng)驗公式。剪應(yīng)力與牛頓液體一樣。RAP2/7體積流動速率:l為膨脹性液體，n越大，曲線越接近錐形nl為假塑性液體，n越小，曲線越接近柱塞形，這種流動稱為柱塞流動。n值不同時圓管中流動液體的速度分布圓形管中的柱塞流動速度分布賓漢液體具有更明顯的柱塞流動特征將其流速分布分為兩部分：中心：rr*, r r*, r ry,剪切流動；r=r*, r = ry,過度區(qū)柱塞形流動（a）與拋物線形流動（b）的比較由于柱塞流動中液體受到的剪切力作用小，所以混合效果差，制品性能不好，拋物線流動中 有旋渦的存

5、在，混合效果好。如：PVC、如柱塞流動PE無柱塞流動，染色均勻?？煽闯?，非牛頓流體在圓管中的流動是穩(wěn)的。剪應(yīng)力呈線性分布，管壁處剪應(yīng)力和剪切 速率最大，中心流速最大。實際情況：管壁處流速不為零。原因：1、有滑動存在。2、加入潤滑劑，滑動變大。（PVC加入硬脂酸）3、懸浮液可能分層，管壁粘度較小。4、分子量分布寬的聚合物，低分子物質(zhì)趨向管壁。（三）圓管中的非等溫流動等溫流動在實際中有誤差，不等溫的原因有：1 .工藝上人為使其不等溫聚合物加工常在高溫下進行，高溫及剪切熱易引起降解.為避免此類現(xiàn)象，在每 個區(qū)段加工溫度不同，如擠出機。2 .剪切產(chǎn)生摩擦升溫剪切力分布呈直線梯度分布，剪切力不同，摩擦熱

6、不同，溫度升高。3 .流動過程中有壓力降而冷卻壓力降低，聚合物體積膨脹而吸熱，聚合物冷卻。4 .壁面的熱傳導(dǎo)溫度在管子中的分布一一Toor半經(jīng)驗公式拜=1+(3T面”&同一宇淘”一(力T0-Tw + 1R2n(n +1)R二、聚合物液體在狹縫通道中的等溫流動所謂狹縫通道是指那些厚度遠比寬度小得多的通道。最典型的代表是擠出板材或薄片 的平直口模。當圓形環(huán)口的圓周長比口模間隙(即厚度)尺寸大得多的情況，亦即構(gòu)成環(huán)形口模的外 徑R0與內(nèi)徑只Ri接近時，也可以當成狹縫通道來處理。吹塑管形薄膜和擠出大尺寸圓管的口模屬于這種情況。生產(chǎn)流涎薄膜的口模也是一種狹縫通道。平行板狹縫通道中聚合物流體的受力分析距中

7、平而任意h處的剪應(yīng)力為：rh= h()液體的流速在壁面為零，在中平而處最大：v = 一“(_)生也5 + 1 %在距中平面任意位置h處Z方向的流速為：n AP - h 以=(-X-)n/ 一力 =%口一(77) n +1 %H平均流速：磊=（藥）Q = 2（）H77 =（六）2卬（罕產(chǎn)”2n + 12 +1 tL聚合物液體的容積流率為液體剪切速率：%=（匕1）（萼）（）5n H H非牛頓流體在狹縫間進行穩(wěn)態(tài)流動時，其流動行為與圓管中的流動行為相似。三、聚合物的拖曳流動和收斂流動以上所討論的都是聚合物液體受壓力作用在管道中引起的一維流動壓力流動。液體在管道中的流速分布、流率、剪應(yīng)力和剪切速率的分

8、布和量值均與管道中的壓力 降有關(guān)。這是一類簡單的流動。但聚合物加工過程中還常常出現(xiàn)一類復(fù)雜的流動。例如二維或三維的流動，同時流動中 的液體除受到剪切作用以外還受到拉伸作用。如拖曳流動和收斂流動。（一） 拖曳流動聚合物液體的流動行為除受壓力因素的影響外，還要受到管道運動部分的影響。這種影響表現(xiàn)在粘滯性很大的聚合物液體能隨管道的運動部分移動，所以稱這 種流動為拖曳流動。液體的總流動是拖曳流動和壓力流動的總和。聚合物液體在擠出機螺桿槽與料筒壁所構(gòu)成的矩形通道中的流動或在擠出線纜 包復(fù)物環(huán)形口模中的流動就是典型的拖曳流動。1、擠出線纜包復(fù)物口模的拖曳流動擠出線纜包復(fù)物時，口模靜I匕 線纜芯以一定速度V

9、z連續(xù)沿Z方向移動。在X 2 + Y2=R02 時，口模壁面的流速VRO = 0在X 2 + Y2=Ri2 時，線纜芯外壁的流動速度VRi = Vz .在 X 2 + Y2 = R2 且 ROWR至Ri 時，VR = Vz （R- RO ） / （ Ri -RO ） 由于不存在x和y方向的流動，所以擠出線纜包復(fù)物時是一維流動。2.液體在擠出機螺桿槽中的的拖曳流動擠出機料臨螺桿轉(zhuǎn)動方向流動復(fù)雜，流體的流道為高H寬W的螺旋通道。螺桿轉(zhuǎn)動時，三個螺槽壁相對靜止。可看成料筒反方向旋轉(zhuǎn)，螺桿靜止。（1）料壁沿Z方向運動。液體的流速在x=0, x=w和產(chǎn)0 （螺桿槽的三個壁而）為零。在行H處（料筒壁而）與

10、料筒沿Z軸方向移動的速度vz相同。在這種由螺桿 轉(zhuǎn)動引起的拖曳流動中，沿y軸的速度分布如圖所示。拖曳流動的最大速度在料筒壁上。但擠出機中壓力沿Z軸向機頭方向是逐漸增加的，因此機頭處反壓最大，這種 壓力將使液體產(chǎn)生逆流，速度分布為拋物線形。液體的流動是這兩種流動的迭加。（a） 壓力流動、（b）拖曳流動和（c）迭加后的速度分布2）在X方向上的流動特征在X方向上可以形成封閉的環(huán)形流動，這種環(huán)流是螺桿旋轉(zhuǎn)時螺紋斜棱液體的 推擠作用和料筒表而對液體的拖曳作用共同引起的。環(huán)流速度分布僅與螺桿的轉(zhuǎn)速和螺紋的螺旋角有關(guān)，在螺桿根徑處（y=0）流速 為負值，而在料筒表面（y=H）為正值，在螺槽深度為y=2H/3

11、處流速為零。環(huán)形流動不影響流率的變化，但對聚合物的混合、塑化和熱交換有促進作用。螺槽中沿X方向的環(huán)形流動及速度分布從以上討論中可以看出，螺槽中液體同時在z軸和工軸方向進行著流動，并存在 著兩個速度VZ和VX,液體正是在拖曳流動、壓力流動和環(huán)形流動的共同作用下流向機頭。液體的總流速則是Vz與Vx的迭加。液體在螺槽個的流動已經(jīng)不是一維流動， 而屬于二維和三維流動了。（二）收斂流動1 .抑制性收斂流動（管子變小引起的）Na 匕空NZ2二切流動區(qū)1收詼流動區(qū)功切流動區(qū)管徑變小，流線不平行，流體與流線形成一個錐角，錐角的一半叫流線收斂角錐度的好處：1、速度緩慢變化，2、克服擾動和大壓力降，3、減小功率損

12、耗，4、 提高生產(chǎn)能力2 .非抑制性收斂流動（拉伸流動）當粘彈性聚合物熔體從任何形式的管道中流出并受外力拉伸時產(chǎn)生時產(chǎn)生的收 斂流動，又稱拉伸流動。如紡絲過程中絲條離開噴絲板后的拉伸流動。噴絲蝮剪史流動區(qū)轉(zhuǎn)變區(qū)拉伸流動區(qū)3 .分子伸展和取向收斂流動或拉伸流動中，聚合物液體會產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)變，它表現(xiàn)為柔性分 子鏈流動中逐漸伸展和取向。伸展與取向的程度與液體中的速度梯度和流動的收斂角有關(guān)。速度梯度t和收斂角t 一拉伸應(yīng)變t一大分子伸展速度和取向t對大多數(shù)聚合物，錐形管道的收斂角不應(yīng)過大，否則會導(dǎo)致大量彈性能的貯存， 引起成型制品變形和扭曲，甚致引起熔體破裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以通常都使收斂角 10%

13、4.拉伸應(yīng)變與拉伸粘度。一定時，流動過,即)拉伸應(yīng)變增加，在錐角的最窄端達到最大值。拉伸應(yīng)變 * = %/)拉伸應(yīng)變速率 = -=- -dt L dtL dt拉應(yīng)力5.影響拉伸粘度X的因素(1)收斂角a錐：tga =(2na/ X)l/2楔：tga =(3/2) (na/ 入)1/2(2)拉伸應(yīng)變速率很低時，X為定值3 no；很高時，不同的聚合物X也不同。PE、PP-拉伸變稀PAN等一不變LDPE PIB PS等一拉力變硬 一般：拉力變硬(3)溫度TT升高，卜下降(4)壓力PP升高，X也升高（5）拉伸方式單軸拉伸入=3 no；雙軸拉伸若x= e y= , X=6no（牛頓流體）第二節(jié)聚合物液體

14、流動過程的彈性行為大多數(shù)聚合物在流動中除表現(xiàn)出粘性行為外，還不同程度地表現(xiàn)出彈性行為。這種彈性對聚合物加工與成型有很大的影響。聚合物流動過程最常見的彈性行為是端末效應(yīng)和不穩(wěn)定流動。一、端末效應(yīng)管子進口端與出口端這種與聚合物液體彈性行為有緊密聯(lián)系的現(xiàn)象就稱為端末 效應(yīng)，亦可分別稱為入口效應(yīng)和模口膨化效應(yīng)。流體由大管進入小管內(nèi)時，流動不再穩(wěn)定，流體中各點速度在大小和方向上都 隨時發(fā)生變化，速度分布成一條直線，流體進入導(dǎo)管后必須經(jīng)過一定距離，穩(wěn)定流動才能形 成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。另外，在出口端，假塑性流體先收縮后有出現(xiàn)膨脹，而且膨脹至比導(dǎo)管直徑還 大，這種現(xiàn)象叫?？谂蛎浶?yīng)。聚合物液體在管子入口區(qū)

15、域和出口區(qū)域的流動流體由貯槽或大管進入導(dǎo)管時，流體中各點的速度在大小和方向上隨時變化，只 有在進入導(dǎo)管后經(jīng)一段距離穩(wěn)定流動才能形成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。用入口區(qū)域長度Le 表示。（-）入口效應(yīng)1 .入口效應(yīng)區(qū)域長度Le用Le或Le/D表示產(chǎn)生入口效應(yīng)區(qū)域的范圍假塑性流體：Le = 0. 030. 05 Re DRe 二(DnV2-nP)/(gk, 8n-l)Re W 2320滯流Re三10000湍流2320 Re 10000 過渡流2 .入口端產(chǎn)生壓力降的原因（1）剪切速率的增大和流速增大造成。V小管t -動能t -*AP fV小管t - t t -能耗t -* AP t（2）拉伸形變引起T

16、t 一形變t 一分子取向f一高彈形變t 一能耗t 一 APt3 . Q-A P計算的校正（入口效應(yīng)的影響）R&P 卅 3 + l Q* = （ 丁就）將入口端的壓力降看成是與某一 “相當長度”管子所引起的壓力降相等，取3 倍管徑作為相當長度。以L+6R替代流率-壓力降方程中的L可計算包括入口效應(yīng)在內(nèi)的管子全長范圍內(nèi)R=（也里）“2（L + 6R）n 就,（二）離模膨脹效應(yīng)液體流出管口時，液流的直徑并不等于管子出口端直徑，出現(xiàn)兩種情況：對低粘度牛頓流體通常液流縮小變細：對粘彈性聚合物熔體，液流直徑增大膨脹。后一種現(xiàn)象稱為擠出物脹大。膨脹比Df/D （膨脹的最大直徑與管子出口端直徑之比）離模膨脹效

17、應(yīng)的彈性行為原因1 .法向應(yīng)力的影響粘性液體P11=P22,無彈性行為，流體縮小變細。粘彈性Pll-P22M）,出現(xiàn)膨脹，壓力差越大，膨脹比越大。2 .大分子在流動過程中取向Le區(qū)域：分子拉伸取向Ls區(qū)域：剪切取向這兩種取向在出口時要彈性回復(fù)，Le影響更大。（三）影響端末效應(yīng)的因素Le和Df/D是關(guān)聯(lián)的，一般來說Le越大，Df/D也越大，影響因素一致。1 .分子量Mn t -Le 或 Df/D t2 .分子量分布分布窄一Le或Df/D t3 .非牛頓性n I Le 或 Df/D t4 .彈性模量E或剪切模量E 或 G 1 - Le 或 Df/D I5 .溫度Tt - Le 或 Df/D I6

18、.剪切速率t t - Le 或 Df/D t7 .管道長徑比L/D f Le 或 Df/D I減小端末效應(yīng)的措施提高加工溫度適當減小剪切應(yīng)力增大L/D對擠出物加以適當牽引二、不穩(wěn)定流動和熔體破裂現(xiàn)象聚合物熔體在低剪切速率的流動條件下，各種因素引起的小的擾動容易受到抑制。定義：聚合物熔體在高剪切速率時，液體中的擾動難以抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流 動，引起液流破壞，這種現(xiàn)象稱為“熔體破裂”。出現(xiàn)“熔體破裂”時的應(yīng)力或剪切速率稱為臨界應(yīng)力和臨界剪切速率。PMMA于170C、不同應(yīng)力下發(fā)生不穩(wěn)定流動時擠出物試樣：產(chǎn)生熔體破裂的原因1 .管壁上出現(xiàn)滑移和液體中的彈性回復(fù)剪切變稀，表觀粘度最低，產(chǎn)生滑移。流動

19、中的分級效應(yīng)使低分子量組分分裂在管壁，粘度降低，產(chǎn)生滑移?；圃斐闪魉俨煌?，彈性能分布不均，在平行梯度上產(chǎn)生彈力效應(yīng)，當彈性應(yīng)力大于粘滯阻 力時平衡破壞，產(chǎn)生彈性回復(fù)。2 .液體剪切歷史的差異入口區(qū)域和管內(nèi)受到的剪切力不同，彈性回復(fù)不同。入口端的死角存在渦流，使剪切力不同。穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動的速度分布(a)穩(wěn)定流動，有正常擠出物：(b)、(c)不穩(wěn)定流動，有彎曲狀擠出物 影響因素1 .非牛頓性非牛頓性強，柱塞流動，不易渦流，入口區(qū)域和管內(nèi)受到的剪切作用是主要原 因。在較高剪切下出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，rct,如PP、PVC、HDPE。非牛頓性差，拋物線流動，易渦流。渦流是引起不穩(wěn)定流動的主要原因。rc I 如LDPE、聚酯。2 .分子量及其分布分子量越大，易纏結(jié)，彈性回復(fù)嚴重，較低的剪切速率就破裂；分子量分布窄，臨界剪切應(yīng)力也降低。3 .加工溫度TT越高，臨界應(yīng)力和臨界剪切速率都增大。4 .流道幾何形狀。越小，臨界剪切速率變大，長徑比增大，臨界剪切速率增加。顯然，不穩(wěn)定流動現(xiàn)象的存在將限制流率的進一步提高，所以過分提高擠出速 度會使制品外觀和內(nèi)在質(zhì)量受到不良的影響- 第三節(jié)聚合物液體流動性測量方法簡介將各種聚合物材料置于不同儀器中，測定它們在不同溫度和壓力下的剪應(yīng)