聚合物熔體流動

1、關(guān)于聚合物熔體流動第一張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、牛頓流體及流變方程低分子在圓管內(nèi)的流動Re2500，湍流聚合物加工時Re1 是層流以下是層流模型 相鄰液體相對滑移F:外部作用于整個液體的恒定剪切力;A:為向兩端無限延伸的液層的面積。液層上的剪應(yīng)力 圖3-1 管中層流模型速度梯度等于剪切速率應(yīng)變: 表現(xiàn)為恒定的速度摩擦: 速度差 dr v v +dv (4.1-2 ) N/mm2 (4.1-1)2第二張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月牛頓流體剪應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系(4.1-3)液層單位表面上施加的剪應(yīng)力與液層間的剪切速度梯度 (剪切速率) 成正比,是流體的牛頓定律。為

2、比例常數(shù)稱為 牛頓粘度是液體的固有屬性與液體結(jié)構(gòu)及所處的溫度條件有關(guān)，其單位是Pa. s牛頓流體流動時應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的特點如圖32所示。在應(yīng)力作用的時間t1-t2 內(nèi)，應(yīng)力引起的總應(yīng)變：(4.1-4)3第三張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖3-2 牛頓流體應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系及剪切速率-粘度的關(guān)系（a）時間-應(yīng)力（b）時間-應(yīng)變（c）剪切速率-剪切應(yīng)力（d）剪切速率-牛頓粘度4第四張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié) 論1. 牛頓流體的黏度不隨剪切速率變化(d)圖2. 牛頓流體中的應(yīng)變具有不可逆性質(zhì)，應(yīng)力解除后應(yīng)變以永久形變保留下來,這是純粘性流體的特點。5第五張，PPT共二十五頁

3、，創(chuàng)作于2022年6月二、非牛頓流體及其流變行為 所以，聚合物液體的流變行為不服從牛頓流動規(guī)律。 這類液體流動時剪切力和剪切速率不再成比例關(guān)系： 通常把流動行為不服從牛頓流動定律的流動稱為非牛頓型流動，具有這種流動行為的液體稱為非牛頓液體。 聚合物加工時大都處于中等剪切速率范圍內(nèi)。此時，大多數(shù)聚合物都表現(xiàn)為非牛頓液體。 由于大分子的長鏈結(jié)構(gòu)和纏結(jié)聚合物熔體的流動行為遠比低分子液體復(fù)雜。在寬廣的內(nèi)，=10104s-1加工范圍）常數(shù)6第六張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖3-3典型非牛頓流體與 的關(guān)系（a）剪應(yīng)力-剪切速率不同類型流體的流動曲線（b）粘度-剪切速率不同類型流體xueshu

4、7第七張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表4-1非牛頓流體三種類型流體分類粘性液體粘彈性液體時間依賴性液體流動行為時間表達式應(yīng)變特征不可逆形變(粘性流動)不可逆形變(粘性流動)與可逆形變的迭加與粘彈性液體相同,還與應(yīng)力作用時間有關(guān)非牛頓流體的特征(1)剪應(yīng)力與剪切速率不成正比, 粘度取決于剪切作用(2) 非牛頓性是粘性和彈性行為的綜合，流動過程中包含著不可逆形變和可逆形變兩種成分。8第八張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月粘性液體與指數(shù)定律（4.1-5b）（4.1-5a）粘性液體:假塑性液體脹塑性液體賓漢流體指數(shù)定律:聚合物粘性液體，在定壓與定溫下剪切速率范圍內(nèi)流動時，剪切力和剪

5、切速率具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系。式（4.1-5）中K：粘度系數(shù)或稠度系數(shù) n：流動指數(shù) (非牛頓指數(shù)）9第九張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖4-4 不同流體的log-log關(guān)系1-牛頓流體 n=12-膨脹性液體（n1)(服從指數(shù)定律)3-假塑性流體（n1)(服從指數(shù)定律)4-假塑性流體（n Tf (Tg+100) 時，（4.2-1）熱塑性聚合物：T （指數(shù)式降低）式中A：與材料性能、剪切速率與剪切應(yīng)力有關(guān)的粘度常數(shù) ；R：氣體常數(shù) (8.32 Jmol.K)；E：聚合物的粘流活化能(J/mol)。在給定范圍內(nèi)A、R、E為常數(shù)粘度就僅與溫度T或（1/ T )有關(guān)，以log 對T或（1/ T

6、)作圖在一定范圍內(nèi)可得直線：直線的斜率即為活化能E，E的大小溫度對粘度的影響E 熔體黏度對溫度愈敏感14第十四張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖3-5溫度對粘度的影響1-PS，2-PC，3-PMMA，4-PP5-CA，6-HDPE，7-POM，8-PA，9-PEDT對于給定剪切速率 在一定溫差T=T1-T2（=40）下敏感度不同圖中表明： 1-PS、2-PC、3-PMMA、5-CA9-PEDT (3,4 聚乙烯基二氧噻吩)導(dǎo)電聚合物比 6-PE、4-PP、和7-POM(聚甲醛）對溫度更為敏感用（T1）/ （T2）表示敏感性15第十五張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 注意:

7、對于溫度粘度關(guān)系，還應(yīng)考慮時間作用，聚合物加工溫度下,長期受熱,都會有不同程度的降解,高溫區(qū)停留時間長,降解嚴重。控制溫度與時間都非常重要。16第十六張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、壓力對粘度的影響聚合物由于有 “自由體積” 所以可壓縮性，內(nèi)受靜壓、外受外壓（10300MPa），壓力體積減小聚酰胺(PA) 和 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)壓力達100個大氣壓體積1%壓力達700個大氣壓體積3.5%聚苯乙烯(PS)和低密度聚乙烯(LDPE)壓力達100個大氣壓體積5.1%壓力達700個大氣壓體積5.5%17第十七張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月圖4-6 壓力對粘度的影響

8、1-PMMA, 2-PS,3-HDPE,4-CA T=177 壓縮率-壓力的關(guān)系LDPE 壓力-粘度的關(guān)系18第十八張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)論:壓力增大粘度增大 (相當于)降低溫度所以,希望增大流量,僅增大壓力，不一定達到目的。增大壓力磨損增大功率消耗增大了解壓力 - 粘度的關(guān)系。維持恒定粘度的條件下，壓力對溫度的效應(yīng)是T/P（39）10-2/大氣壓聚丙烯和低密度聚乙烯對壓力較為敏感。19第十九張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、剪切速率（應(yīng)力）對粘度的影響在加工條件下，大多數(shù)聚合物表現(xiàn)為非牛頓流體， 當剪切速率較低時（非牛頓區(qū)）， 為103109 Pa.s 這時

9、，分子量大 粘度大（ 4.2-5 ）但不同聚合物對剪切速率的敏感度不同，粘度對剪切速率的敏感度可以用下式表示：（ 100-1 s）/ （ 1000 -1s ）聚乙烯PE、聚丙烯PP、聚氯乙烯PVC都對 剪切速率敏感，聚甲醛POM、聚碳酸酯PC對剪切速率不太敏感。20第二十張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1-PMMA（200） ， 2-HDPE （190），3-PA-6（260） 4-CA （190） ， 5-PS（204） 圖4-7 不同聚合物剪切速率對粘度的影響21第二十一張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 1. 鏈的柔性越大，纏結(jié)點越多鏈的解纏滑移愈困難,其非牛頓性越強。

10、 鏈的剛硬性增加和分子間吸引力增大(如極性聚合物和結(jié)晶聚合物)時，熔體粘度對溫度的敏感性增加,提高聚合物的溫度利于增加流動性。如聚碳酸酯PC、聚苯乙烯PS、聚酰胺PA等。2.分子中支鏈結(jié)構(gòu)對粘度有影響，特別長支鏈對粘度的影響最大 長支鏈增加會與其鄰近分子的纏結(jié)因此它對熔體或溶液流動性的影響比短支鏈重要。 一般，在相同特性粘度時，長支鏈支化會使粘度增大，支化越高，粘度越大.長支鏈的增加使粘度對剪切速率的敏感性增加。 當零剪切粘度相同時,有支化的聚合物比沒有支化同一聚合物非牛頓的臨界剪切速率要低。四、聚合物的結(jié)構(gòu)組成對粘度的影響22第二十二張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 鏈結(jié)構(gòu)中側(cè)基含量大， “自由體積”大，粘度對壓力的敏感性就大。 如:PMMA、PS通過升高溫度和調(diào)整壓力，提高流動性。4. 分子量增大，流動粘度大常數(shù)C的大小取決于聚合物, Mw為 重均分子量當MwMc, 粘度隨分子量的3.43.5次方增加。流動溫度高，受熱穩(wěn)定限制，有時加工十分困難。提高分子量雖能提高物理機械性質(zhì)，但加工受到限制。 （4.2-6）改進方法加入溶劑或增塑劑，改善加工性能。23第二十三張，PPT共二十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5.添加劑對粘度的影響 添加劑主要有填料、色料、潤滑劑、溶劑、增塑劑、稀釋劑、熱穩(wěn)