高分子成型工藝-第三章

1、 盡管在塑料成型加工過程中，所使用的模具種類繁盡管在塑料成型加工過程中，所使用的模具種類繁多、形式各異，但都不外乎是圓形和狹縫形通道兩種情多、形式各異，但都不外乎是圓形和狹縫形通道兩種情況，其它形狀的流道都可視為這兩種情況的組合。況，其它形狀的流道都可視為這兩種情況的組合。 由于熔體流動時存在內(nèi)部粘滯阻力和管道壁的摩擦阻力，由于熔體流動時存在內(nèi)部粘滯阻力和管道壁的摩擦阻力，這將使流動過程中出現(xiàn)明顯的壓力降和速度分布的變化，管這將使流動過程中出現(xiàn)明顯的壓力降和速度分布的變化，管道的截面形狀和尺寸若有改變，也會引起熔體中的道的截面形狀和尺寸若有改變，也會引起熔體中的壓力壓力、流流速分布速分布和和體

2、積流率體積流率( (單位時間內(nèi)的體積流量單位時間內(nèi)的體積流量) )的變化，所有這的變化，所有這些變化，對成型設(shè)備需提供的功率和生產(chǎn)效率及聚合物的成些變化，對成型設(shè)備需提供的功率和生產(chǎn)效率及聚合物的成型工藝性等都會產(chǎn)生不可忽視的影響。型工藝性等都會產(chǎn)生不可忽視的影響。第三章：聚合物液體在管和槽中的流動 由于大多數(shù)聚合物熔體的粘度很高，服從冪律由于大多數(shù)聚合物熔體的粘度很高，服從冪律函數(shù)，在通常情況下為穩(wěn)態(tài)層流的流體，為簡化分函數(shù)，在通常情況下為穩(wěn)態(tài)層流的流體，為簡化分析及計算過程，作以下假設(shè)：析及計算過程，作以下假設(shè)：（1 1）液體為不可壓縮的；）液體為不可壓縮的；（2 2）流動是等溫過程；）流

3、動是等溫過程；（3 3）液體在管道壁面不產(chǎn)生滑動）液體在管道壁面不產(chǎn)生滑動 （即壁面速度等于零）；（即壁面速度等于零）；（4 4）液體的粘度不隨時間而變化，）液體的粘度不隨時間而變化， 并且其它性質(zhì)也不變。并且其它性質(zhì)也不變。實際上聚合物熔體在管道中的流動要復(fù)雜得多。實際上聚合物熔體在管道中的流動要復(fù)雜得多。第一節(jié)：第一節(jié)： 流體在簡單截面管道中的流動流體在簡單截面管道中的流動一、在圓形流道中的流動一、在圓形流道中的流動圓形通道在注射模和擠出模中最為常見，又可分為圓形通道在注射模和擠出模中最為常見，又可分為等截面的圓管通道和圓錐形通道。等截面的圓管通道和圓錐形通道。如：注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流

4、道、擠出機的機頭如：注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道、擠出機的機頭通道或口模等。通道或口模等。如果聚合物熔體在半徑為如果聚合物熔體在半徑為R的等截面圓管中的流動符合的等截面圓管中的流動符合上述假設(shè)條件，取距離管中心為上述假設(shè)條件，取距離管中心為r長為長為L的流體圓柱單的流體圓柱單元當(dāng)其在壓力梯度元當(dāng)其在壓力梯度(P/L)的推動下移動時，將受到相鄰的推動下移動時，將受到相鄰液層阻止其移動的摩擦力作用，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)層流后，作液層阻止其移動的摩擦力作用，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)層流后，作用在圓柱單元上的推動力和阻力必處于平衡狀態(tài)，用在圓柱單元上的推動力和阻力必處于平衡狀態(tài)， 即：即：P(r2) (2 rL) 則：則：1

5、1、牛頓流體在簡單園管中的流動、牛頓流體在簡單園管中的流動管壁處管壁處rR則管壁處的剪應(yīng)力：則管壁處的剪應(yīng)力：由此可以看出，任一液層的剪切力由此可以看出，任一液層的剪切力(r)與其到圓管中心軸與其到圓管中心軸線的距離線的距離(r)和管長方向上的壓力梯度和管長方向上的壓力梯度(PL)均成正比，均成正比，在管道中心處在管道中心處(ro)的剪切應(yīng)力為零，而在管壁處的剪切應(yīng)力為零，而在管壁處(rR)的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，剪切應(yīng)力在圓管徑上的分布如的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，剪切應(yīng)力在圓管徑上的分布如下圖所示。下圖所示。在等截面圓形流道中流動時：在等截面圓形流道中流動時：剪切應(yīng)力和真實剪剪切應(yīng)力和真實剪切速率

6、關(guān)系：切速率關(guān)系：可見：流速可見：流速是隨任意流動層的半徑是隨任意流動層的半徑r的增大而減的增大而減小的，中心流速最大。小的，中心流速最大。（1）drdvLrRP4)(22為牛頓粘度。若圓管的半徑為若圓管的半徑為R，管長為，管長為L，于是任意半徑，于是任意半徑r處流層所受的處流層所受的剪切應(yīng)力為：剪切應(yīng)力為： p：圓管兩端的壓力降圓管兩端的壓力降對于一般流體，在管壁處的流動速度為零，即對于一般流體，在管壁處的流動速度為零，即r=R=0。（2）將（將（2）式代入（）式代入（1）式并求積分，得到流體在任意半徑處的）式并求積分，得到流體在任意半徑處的流速流速r：(3)2 2、非牛頓流體在簡單園管中的

7、流動、非牛頓流體在簡單園管中的流動大多數(shù)聚合物流體為非牛頓流體，不符合以上的關(guān)系式。但在通常的大多數(shù)聚合物流體為非牛頓流體，不符合以上的關(guān)系式。但在通常的加工條件下仍為層流，也可推得相應(yīng)的關(guān)系式。加工條件下仍為層流，也可推得相應(yīng)的關(guān)系式。L2rp)1mrR()L2p(kv1m1mmr上式表示恒壓下流體在圓管截面上各點的流動速度，上式表示恒壓下流體在圓管截面上各點的流動速度，也表現(xiàn)出壓力降與流動速度的關(guān)系。也表現(xiàn)出壓力降與流動速度的關(guān)系。圖中四條線分別表圖中四條線分別表示四種不同示四種不同m m值時值時流速分布情況。流速分布情況。同時，可以求出流體在圓管中的體積流率同時，可以求出流體在圓管中的體

8、積流率q為：為：（4）（3 3）式代入（）式代入（4 4）式并積分得：）式并積分得：(5)毛細(xì)管流變儀測出的聚合物流變曲線圖，是由最毛細(xì)管流變儀測出的聚合物流變曲線圖，是由最大剪切力和相應(yīng)的牛頓剪切速率所作的，因此需大剪切力和相應(yīng)的牛頓剪切速率所作的，因此需要校正。要校正。R0rdrrv2q)3mR()L2p(kq3mm二、在狹縫形流道內(nèi)的流動二、在狹縫形流道內(nèi)的流動通常將高度通常將高度( (或稱厚度或稱厚度) )遠(yuǎn)比寬度或周邊長度小得多的流道遠(yuǎn)比寬度或周邊長度小得多的流道稱作狹縫通道。稱作狹縫通道。如用擠出機擠膜，擠板、擠出薄壁圓管和各種中空異型材如用擠出機擠膜，擠板、擠出薄壁圓管和各種中空

9、異型材的機頭?？滓约白⑺苣＞叩钠瑺顫部诘?。的機頭?？滓约白⑺苣＞叩钠瑺顫部诘?。常見狹縫通道的截面形狀有平縫形、圓環(huán)形和各種異形等常見狹縫通道的截面形狀有平縫形、圓環(huán)形和各種異形等三種。三種。流體所受剪切應(yīng)力和真實剪切速率關(guān)系：流體所受剪切應(yīng)力和真實剪切速率關(guān)系：流速在沿狹縫形截面寬度中心線上各點最大，在上流速在沿狹縫形截面寬度中心線上各點最大，在上下兩壁處為零。下兩壁處為零。 y：狹縫截面上任：狹縫截面上任意點到中心線的距意點到中心線的距離。離。（1）mkdydv設(shè)平行板狹縫通道的寬度為設(shè)平行板狹縫通道的寬度為w，高度為，高度為2h，在長度為，在長度為L的一段上存在的壓的一段上存在的壓力差為力

10、差為PPPo，如果壓力梯度，如果壓力梯度(P/ L)產(chǎn)生的推動力足以克服內(nèi)外摩產(chǎn)生的推動力足以克服內(nèi)外摩擦阻力，熔體即可由高壓端向低壓端流動。在狹縫高度方向的中平面上、擦阻力，熔體即可由高壓端向低壓端流動。在狹縫高度方向的中平面上、下對稱地取一寬為下對稱地取一寬為W，長為，長為L，高為，高為2h的長方體液柱單元，其在中平面的長方體液柱單元，其在中平面一側(cè)的高為一側(cè)的高為h。液柱單元受到的推動力為液柱單元受到的推動力為F12WhP，受到上、下兩液層的摩擦阻力為受到上、下兩液層的摩擦阻力為F22WLh ， h為與中平面的距離為為與中平面的距離為H的液層的剪切應(yīng)力。的液層的剪切應(yīng)力。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動后

11、，推動力和摩擦阻力相等，因而有在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動后，推動力和摩擦阻力相等，因而有2WhP 2WLh ，則：則：在狹縫的上、下壁面處在狹縫的上、下壁面處(hH)熔體的剪切應(yīng)力為熔體的剪切應(yīng)力為則則y處與中心層平行的流層所受到的剪切應(yīng)力為：處與中心層平行的流層所受到的剪切應(yīng)力為：（2）將（將（2 2）代回（）代回（1 1），并積分有：），并積分有：（3）yLp1m1mmyy2h1m1Lpkv體積流率：體積流率：（4）如用一般流動曲線來求解，則同樣需要換算。如用一般流動曲線來求解，則同樣需要換算。2m2hLpkWq2m2mm三、圓環(huán)形狹縫通道中的流動三、圓環(huán)形狹縫通道中的流動由兩個同心圓筒構(gòu)成環(huán)隙時，若

12、外筒的內(nèi)半徑由兩個同心圓筒構(gòu)成環(huán)隙時，若外筒的內(nèi)半徑R0與內(nèi)筒的外半徑與內(nèi)筒的外半徑R1很接近，就表明環(huán)隙的周邊長度遠(yuǎn)比環(huán)隙的厚度大，這樣的環(huán)隙就是很接近，就表明環(huán)隙的周邊長度遠(yuǎn)比環(huán)隙的厚度大，這樣的環(huán)隙就是圓環(huán)形狹縫通道。圓環(huán)形狹縫通道。圓環(huán)形狹縫展開為平行板狹縫，則這一平行板狹縫的厚度圓環(huán)形狹縫展開為平行板狹縫，則這一平行板狹縫的厚度2HR0-R1；寬度寬度W2R，面，面R(R0+R1)2，當(dāng)，當(dāng)2R R0-R1時，對圓環(huán)形狹時，對圓環(huán)形狹縫通道中流體的流動進行近似的分析與計算?？p通道中流體的流動進行近似的分析與計算。四、異形狹縫通道中的流動四、異形狹縫通道中的流動通常將由平行板和同心圓筒

13、構(gòu)成的平縫和圓形狹縫通道以外的各種截通常將由平行板和同心圓筒構(gòu)成的平縫和圓形狹縫通道以外的各種截面形狀的狹縫通道，均稱作異形狹縫通道。面形狀的狹縫通道，均稱作異形狹縫通道。用擠出機擠出中空異型材的機頭?？资浅Ｒ姷漠愋为M縫通道。用擠出機擠出中空異型材的機頭?？资浅Ｒ姷漠愋为M縫通道。這些異形狹縫均可看作平行板狹縫和圓環(huán)形狹縫的不同方式組合。這些異形狹縫均可看作平行板狹縫和圓環(huán)形狹縫的不同方式組合。五、聚合物的拖曳流動和收斂流動五、聚合物的拖曳流動和收斂流動以上的討論都限于聚合物液體因受壓力作用在管道中引起的一維流動。這類流動稱為壓力流動。液體在管道中的流速分布、流率、剪應(yīng)力和剪切速率的分布和量值均

14、與管道中的壓力有關(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)一類負(fù)載的流動。如二維或三維的流動，同時流動中的液體除受到剪切作用外還受到拉伸作用。拖曳運動和收斂運動就是這種復(fù)雜流動的例子1. 1. 拖曳流動拖曳流動拖曳運動的典型例子是擠出線纜包覆物時的流動。拖曳運動的典型例子是擠出線纜包覆物時的流動。此時聚合物流體不僅受到擠出壓力的作用，用時此時聚合物流體不僅受到擠出壓力的作用，用時受到金屬線的牽引作用。受到金屬線的牽引作用。另外還有擠出機螺槽中的運動。另外還有擠出機螺槽中的運動。2. 2. 錐形通道中的收斂流動錐形通道中的收斂流動當(dāng)聚合物流體在沿流動方向截面尺寸逐漸變小的管道中流動時，

15、流當(dāng)聚合物流體在沿流動方向截面尺寸逐漸變小的管道中流動時，流體中各部分質(zhì)點的流線就不能再保持相互平行。在層流條件下當(dāng)聚體中各部分質(zhì)點的流線就不能再保持相互平行。在層流條件下當(dāng)聚合物流體從一大直徑管流入一小直徑管時，大管中各位置上的流體合物流體從一大直徑管流入一小直徑管時，大管中各位置上的流體將改變原有的流動方向，而以一自然角度進入小管，這時流體質(zhì)點將改變原有的流動方向，而以一自然角度進入小管，這時流體質(zhì)點的流線將形成一錐角，常稱此錐角的一半為的流線將形成一錐角，常稱此錐角的一半為收斂角收斂角并以并以表示流體表示流體以這種方式進行的流動稱為以這種方式進行的流動稱為收斂流動收斂流動。因此，大多數(shù)塑

16、料成型設(shè)備因此，大多數(shù)塑料成型設(shè)備的成型模具都采用具有一定的成型模具都采用具有一定錐度的管道來實現(xiàn)由大截面錐度的管道來實現(xiàn)由大截面尺寸的管道向小截面尺寸的尺寸的管道向小截面尺寸的管道過渡，以避免因流道中管道過渡，以避免因流道中存在存在“死角死角”而起聚合物熱而起聚合物熱降解，并有利于減少因出現(xiàn)降解，并有利于減少因出現(xiàn)強烈擾動而引起的過大壓力強烈擾動而引起的過大壓力降和流動缺陷。降和流動缺陷。聚合物流體在錐形管道中流動時：聚合物流體在錐形管道中流動時：（1 1）以收斂的方式流動時，在垂直流動的方向上和主流動）以收斂的方式流動時，在垂直流動的方向上和主流動方向上都存在速度梯度方向上都存在速度梯度;

17、 ;（2 2）垂直流動方向上的最大速度在錐形管道的中心，錐形）垂直流動方向上的最大速度在錐形管道的中心，錐形管道壁面處的速度為零；管道壁面處的速度為零；（3 3）主流動方向上的最大速度在錐形管道的最小截面處，）主流動方向上的最大速度在錐形管道的最小截面處，而最小速度則在錐形管道截面最大的入口處。而最小速度則在錐形管道截面最大的入口處。（4 4）流體流過錐形管道時除產(chǎn)生剪切流動外，還伴隨有拉）流體流過錐形管道時除產(chǎn)生剪切流動外，還伴隨有拉伸流動。伸流動。（5 5）剪切和拉仲兩種流動成分的相對大小主要由收斂角）剪切和拉仲兩種流動成分的相對大小主要由收斂角決定，一般情況是隨收斂角的減小，主流動方向上

18、的速決定，一般情況是隨收斂角的減小，主流動方向上的速度差減小，拉伸流動成分減少而剪切流動成分增多，當(dāng)收度差減小，拉伸流動成分減少而剪切流動成分增多，當(dāng)收斂角減小到零時斂角減小到零時, ,收斂流動就完全轉(zhuǎn)變成純剪切流動。收斂流動就完全轉(zhuǎn)變成純剪切流動。第二節(jié)：聚合物流動過程的彈性行為第二節(jié)：聚合物流動過程的彈性行為及流動的缺陷及流動的缺陷由于聚合物在流動時所表現(xiàn)的彈性行為不僅使前面所推出的一些流動方由于聚合物在流動時所表現(xiàn)的彈性行為不僅使前面所推出的一些流動方程的計算值與實際有出入，甚至?xí)诓环€(wěn)定流動中出現(xiàn)一系列不正常的程的計算值與實際有出入，甚至?xí)诓环€(wěn)定流動中出現(xiàn)一系列不正常的流動缺陷。流動

19、缺陷。1 1、管壁上的滑移、管壁上的滑移聚合物在導(dǎo)管中流動時，聚合物靠壁處的流速并不為零，而是發(fā)生間斷聚合物在導(dǎo)管中流動時，聚合物靠壁處的流速并不為零，而是發(fā)生間斷的流動，或稱滑移。的流動，或稱滑移。原因：原因：剪切速率的徑向不均勻分布剪切速率的徑向不均勻分布( (靠管壁附近剪切速率最大靠管壁附近剪切速率最大) )；流動中出現(xiàn)分級效應(yīng)流動中出現(xiàn)分級效應(yīng)( (即相對分子質(zhì)量低的級分較多地集中在管壁附近即相對分子質(zhì)量低的級分較多地集中在管壁附近) )；管壁附近的彈性形變的不均勻性管壁附近的彈性形變的不均勻性( (管壁處彈性形變大管壁處彈性形變大) )。滑移的程度不僅與聚合物品種有關(guān)，而且還與采用的

20、潤滑劑和管壁的性滑移的程度不僅與聚合物品種有關(guān)，而且還與采用的潤滑劑和管壁的性質(zhì)有關(guān)。質(zhì)有關(guān)。2 2、端末效應(yīng)（入口端與出口端）、端末效應(yīng)（入口端與出口端）聚合物流體經(jīng)貯槽或大管聚合物流體經(jīng)貯槽或大管進入小管時，在入口端需進入小管時，在入口端需先經(jīng)一段長為先經(jīng)一段長為L e的不穩(wěn)定的不穩(wěn)定流動的過渡區(qū)域，才進入流動的過渡區(qū)域，才進入穩(wěn)流區(qū)穩(wěn)流區(qū)L s，稱此現(xiàn)象稱為，稱此現(xiàn)象稱為入口效應(yīng)入口效應(yīng)。當(dāng)塑料熔體由導(dǎo)管流出時，當(dāng)塑料熔體由導(dǎo)管流出時，料流的直徑有先收縮后膨料流的直徑有先收縮后膨脹的現(xiàn)象稱之為脹的現(xiàn)象稱之為模口膨?？谂蚧ɑx模膨脹、離模膨脹、Barus效效應(yīng)）應(yīng)）。在管道進口端與出口

21、端與聚合物流體彈性行為有緊密聯(lián)系的現(xiàn)象稱為端末效應(yīng)。亦可分別稱為入口效應(yīng)和模口膨化效應(yīng)。（1 1）入口的壓力降）入口的壓力降聚合物熔體從大直徑料筒進聚合物熔體從大直徑料筒進入小直徑口模會有能量損失，入小直徑口模會有能量損失，若料筒中某點與口模出口之若料筒中某點與口模出口之間總的壓力降為間總的壓力降為P，則可將，則可將其分成三部分：其分成三部分：exdienpppp口模入口處的壓力降口模入口處的壓力降pen被認(rèn)為是由以下原因造成的：被認(rèn)為是由以下原因造成的：1.1.物料從料筒進入口模時由于熔體粘滯流動，流線在物料從料筒進入口模時由于熔體粘滯流動，流線在入口處產(chǎn)生入口處產(chǎn)生收斂收斂所引起的能量損失

22、；所引起的能量損失；2.2.在入口處由于聚合物熔體產(chǎn)生彈性變形，因在入口處由于聚合物熔體產(chǎn)生彈性變形，因彈性能彈性能的貯蓄的貯蓄所造成的能量損失；所造成的能量損失；3.3.熔體流經(jīng)入口時，由于熔體流經(jīng)入口時，由于剪切速率的劇烈增加剪切速率的劇烈增加所引起所引起的速度的激烈變化，為達(dá)到流速分布所造成的。的速度的激烈變化，為達(dá)到流速分布所造成的。在料筒末端轉(zhuǎn)角處，具有次級環(huán)形流動，即渦流。在料筒末端轉(zhuǎn)角處，具有次級環(huán)形流動，即渦流。取決于聚合物的品種與入口收斂角取決于聚合物的品種與入口收斂角，入口速度越，入口速度越大，大， 角越大，越容易產(chǎn)生渦流。角越大，越容易產(chǎn)生渦流。入口模型：入口模型：（2

23、2）入口修正）入口修正貝格里修正。貝格里修正。依據(jù)一定剪切速率下，料筒毛細(xì)依據(jù)一定剪切速率下，料筒毛細(xì)管的總壓力降與毛細(xì)管的長徑比為線性。管的總壓力降與毛細(xì)管的長徑比為線性。3 3、離模膨脹、離模膨脹被擠出的聚合物熔體斷面積遠(yuǎn)比口模斷面積大。這被擠出的聚合物熔體斷面積遠(yuǎn)比口模斷面積大。這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為巴拉斯效應(yīng)（巴拉斯效應(yīng)（Barus Effect），），也稱為也稱為離模膨脹離模膨脹。離模膨脹依賴于熔體在離模膨脹依賴于熔體在流動期間可恢復(fù)的彈性流動期間可恢復(fù)的彈性形變。形變。三種解釋：三種解釋：（1 1）取向效應(yīng)）取向效應(yīng)聚合物熔體流動期間處于高剪切場內(nèi)，其大分子在聚合物熔體流動期間處于

24、高剪切場內(nèi)，其大分子在流動方向取向，但在口模處發(fā)生流動方向取向，但在口模處發(fā)生解取向解取向。（2 2）記憶效應(yīng)）記憶效應(yīng)當(dāng)聚合物熔體由大直徑的料筒進入小直徑的口模時，當(dāng)聚合物熔體由大直徑的料筒進入小直徑的口模時，產(chǎn)生了彈性形變，而熔體離開口模時，產(chǎn)生了彈性形變，而熔體離開口模時，彈性變形獲彈性變形獲得恢復(fù)得恢復(fù)。（3 3）正應(yīng)力效應(yīng)）正應(yīng)力效應(yīng)由于粘彈性流體的剪切變形，在垂直于剪切方向上由于粘彈性流體的剪切變形，在垂直于剪切方向上引起了引起了正應(yīng)力正應(yīng)力的作用。的作用。4 4、彈性對層流的干擾、彈性對層流的干擾塑料熔體的可逆彈性形變的回復(fù)引起塑料熔體的可逆彈性形變的回復(fù)引起湍流。湍流。5 5、“鯊魚皮鯊魚皮”癥（熔體破裂）癥（熔體破裂）（1 1）鯊魚皮癥）鯊魚皮癥是發(fā)生在擠出物表面上的一種缺陷其形貌多種多是發(fā)生在擠出物表面上的一種缺陷其形貌多種多樣，隨不穩(wěn)定流動的程度而異：從表面發(fā)生悶光到樣，隨不穩(wěn)定流動的程度而異：從表面發(fā)生悶光到垂直于擠出方向上規(guī)則間隔的深紋，這些深紋以人垂直于擠出方向上規(guī)則間隔的深紋，這些深紋以人字形、魚鱗狀到鱉魚皮不等，或密或疏。字形、魚鱗狀到鱉魚皮不等，或密或疏。原因：原因：擠壓口模對擠出物表面所產(chǎn)生的擠壓口模對擠出物表面所產(chǎn)生的周期性的張周期性的張力力和和流體在管壁上的滑移流體在管壁上的滑移(