第九章 高分子熔體流動不穩(wěn)定性及壁滑現(xiàn)象課件

第九章高分子熔體流動不穩(wěn)定性及壁滑現(xiàn)象本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社第九章高分子熔體流動不穩(wěn)定性及壁滑現(xiàn)象本課件內(nèi)容均源于1 在前面討論的高分子材料成型加工過程和流變學(xué)測量中，都不加證明地假定其中的高分子液體的流動為穩(wěn)定的連續(xù)流動。流場中流線平行，不發(fā)生紊亂。同時還提出“管壁無滑移假定”，認(rèn)為流場中最貼近管壁、器壁的那一層物料，是緊貼在壁上，與壁的運動狀態(tài)一致。 然而，在實際的高分子材料成型加工過程及流變學(xué)測量中，物料的流動狀態(tài)受諸多內(nèi)部和外部因素影響，流場中常常出現(xiàn)流動不穩(wěn)定的情形。許多情況下，流場的邊界條件存在一個臨界值。一旦超越該臨界值，就會發(fā)生從層流到湍流，從平整到波動，從流線本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 在前面討論的高分子材料成型加工過程和流變學(xué)測量中，都不加2 穩(wěn)定到流線紊亂，從管壁無滑移到有滑移的轉(zhuǎn)變，破壞了事先假定的穩(wěn)定流動條件。這個問題的工程學(xué)意義是，當(dāng)工藝過程條件不合適時，會造成制品外觀、規(guī)格尺寸及材質(zhì)均一性嚴(yán)重受損。直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率，嚴(yán)重時甚至使生產(chǎn)無法進(jìn)行。 高分子熔體的流動不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為擠出成型過程中的熔體破裂現(xiàn)象、拉伸成型過程(纖維紡絲和薄膜拉伸成型)中的拉伸共振現(xiàn)象及輥筒加工過程中的物料斷裂現(xiàn)象等。盡管目前關(guān)于高分子熔體流動不穩(wěn)定性及管壁滑移的機理研究尚不夠深入，有些問題還有爭論，但可以肯定地說，這些現(xiàn)象與高分子液體的非線性粘彈行為，尤其是彈性行為有關(guān)，是高分子液體彈性湍流的表現(xiàn)。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 穩(wěn)定到流線紊亂，從管壁無滑移到有滑移的轉(zhuǎn)變，破壞了事先假定31.擠出成型過程中的熔體破裂行為

在擠出成型過程或毛細(xì)管流變儀測量中，當(dāng)熔體擠出剪切速率超過某一個臨界剪切速率時，擠出物表面開始出現(xiàn)畸變。最初是表面粗糙，而后隨剪切速率(或剪切應(yīng)力)的增大，分別出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、螺旋形畸變，直至無規(guī)破裂。這一現(xiàn)象稱為熔體的擠出破裂行為。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.擠出成型過程中的熔體破裂行為 本課件內(nèi)容均源于《高4鯊魚皮形波浪形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破裂本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社鯊魚皮形波浪形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破裂本課件內(nèi)容均源于《高分子5 從現(xiàn)象上概括地分，擠出破裂行為可歸為兩類：一類稱為LDPE(低密度聚乙烯)型。破裂的特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)擠出剪切速率超過臨界剪切速率發(fā)生熔體破裂時，呈現(xiàn)無規(guī)破裂狀。屬于此類的材料多為帶支鏈或大側(cè)基的聚合物，如聚苯乙烯、丁苯橡膠、支化的聚二甲基硅氧烷等。另一類稱為HDPE(高密度聚乙烯)型。熔體破裂的特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，而后隨著剪切速率的提高逐步出現(xiàn)有規(guī)則的畸變，如竹節(jié)狀、螺旋形畸變等。剪切速率很高時，出現(xiàn)無規(guī)破裂。屬于此類的材料多為線形分子聚合物本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 從現(xiàn)象上概括地分，擠出破裂行為可歸為兩類：一類稱為LDP6 如聚丁二烯、乙烯—丙烯共聚物、線形的聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等。 從流變曲線看，當(dāng)發(fā)生熔體破裂時，兩類材料的流動曲線又明顯的差別。屬于LDPE型的熔體，其流變曲線上可明確標(biāo)出臨界剪切速率或臨界剪切應(yīng)力的位置，曲線在臨界剪切速率之前為光滑曲線，之后出現(xiàn)一些波動，但基本為一連續(xù)曲線。屬于HDPE型的熔體，其流變曲線在達(dá)到臨界剪切速率后變得比較復(fù)雜。隨著剪切速率的提高，流變曲線出現(xiàn)大幅度壓力振蕩或剪切速率突變，曲線不連續(xù)，有時使流變測量不能進(jìn)行。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 如聚丁二烯、乙烯—丙烯共聚物、線形的聚二甲基硅氧烷、聚四氟7本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等8本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等9 上圖中，AB段為低剪切速率下的正常擠出段，曲線光滑。至第一臨界剪切速率后(即BC段)，擠出物表面開始出現(xiàn)粗糙和(或)有規(guī)則的擠出畸變。相應(yīng)地在流變曲線上出現(xiàn)明顯的壓力振蕩，得不到確定的測量數(shù)據(jù)。剪切速率繼續(xù)升高，達(dá)到第二臨界剪切速率后，流變曲線躍落，按DE段繼續(xù)發(fā)展，擠出物表面可能又變得光滑。這一區(qū)域稱為第二光滑擠出區(qū)。達(dá)到再一個臨界剪切速率后，擠出物再次呈現(xiàn)熔體破裂，但此時為無規(guī)破裂狀，直到擠出物完全粉碎。第二光滑擠出區(qū)的出現(xiàn)是一個有趣且有意義的現(xiàn)象。擠出成型過程中，若進(jìn)過了一段有規(guī)則畸變的壓力振蕩和不穩(wěn)定流動后，提高剪切速率又會使擠出物表面光滑，無疑對提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率有利。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 上圖中，AB段為低剪切速率下的正常擠出段，曲線光滑。至第101.2熔體破裂現(xiàn)象的機理分析 造成熔體破裂現(xiàn)象的機理十分復(fù)雜，與熔體的非線性粘彈性、與分子鏈在剪切流場中的取向和解取向(構(gòu)象變化及分子鏈松弛的滯后性)、纏結(jié)和解纏結(jié)及外部工藝條件諸因素有關(guān)。從形變能的觀點看，高分子液體的彈性是有限的，其彈性貯能本領(lǐng)也是有限的。當(dāng)外力作用速率很大，外界賦予液體的形變能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出液體可承受的極限時，多余的能量將以其他形式表現(xiàn)出來，其中產(chǎn)生新表面、消耗表面能是一種形式，即發(fā)生熔體破裂。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.2熔體破裂現(xiàn)象的機理分析 造成熔體破裂現(xiàn)象的機理十11 實驗發(fā)現(xiàn)，LDPE型和HDPE型熔體流經(jīng)口模時的應(yīng)力分布狀態(tài)不同。對于LDPE型熔體，其應(yīng)力主要集中在口模入口區(qū)，且入口區(qū)的流線呈典型的喇叭形收縮，在口模死角處存在環(huán)流或渦流。當(dāng)剪切速率較低時，流動是穩(wěn)定的，死角處的渦流也是穩(wěn)定的，對擠出物不產(chǎn)生影響。但是，當(dāng)剪切速率后，入口區(qū)出現(xiàn)強烈的拉伸流，其造成的拉伸形變超過熔體所能承受的彈性形變極限，強烈的應(yīng)力集中效應(yīng)使主流道內(nèi)的流線斷裂，使死角區(qū)的環(huán)流或渦流乘機進(jìn)入主流道而混入口模。主流線斷裂后，應(yīng)力局本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 實驗發(fā)現(xiàn)，LDPE型和HDPE型熔體流經(jīng)口模時的應(yīng)力分布12本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等13 部下降，又會恢復(fù)穩(wěn)定流動，然后再一次集中彈性形變能，再一次流線斷裂。這樣交替輪換，主流道和環(huán)流區(qū)的流體將輪番進(jìn)入口模。這是兩種形變歷史和攜帶能量完全不同的流體，可以預(yù)見，它們擠出時的彈性松弛行為也完全不同，由此造成口模出口處擠出物的無規(guī)畸變。 對于HDPE型熔體，其流動時的應(yīng)力集中效應(yīng)主要不在口模入口區(qū)，而是發(fā)生在口模內(nèi)壁附近，口模入口區(qū)不存在死角環(huán)流。低剪切速率時，熔體流過口模壁，在壁上無滑移，擠出過程正常。當(dāng)剪切速率增高到一定程度，由于模壁附近的應(yīng)力集中效應(yīng)突出，本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 部下降，又會恢復(fù)穩(wěn)定流動，然后再一次集中彈性形變能，再一次14本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等15 此處的流線會發(fā)生斷裂(一個原因是由于分子鏈解纏結(jié)造成的)。又因為應(yīng)力集中使熔體貯能大大增加，當(dāng)能量累積到超過熔體與模壁之間的摩擦力所能承受的極限時，將造成熔體沿模壁滑移，熔體突然增速(柱塞上壓力下降)，同時釋放出能量。釋能后的熔體又會再次與模壁粘著，從而再集中能量，再發(fā)生滑移。這種過程周而復(fù)始，將造成聚合物熔體在模壁附近“時滑時粘”，表現(xiàn)在擠出物上呈現(xiàn)出竹節(jié)狀或套錐形的有規(guī)畸變。當(dāng)剪切速率再增大時，熔體在模壁附近會出現(xiàn)“全滑動”，這時反而能得到表面光滑的擠出物，即所謂第二光滑擠出區(qū)。此時應(yīng)力本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 此處的流線會發(fā)生斷裂(一個原因是由于分子鏈解纏結(jié)造成的)。16 集中效應(yīng)將轉(zhuǎn)到口模入口區(qū)。在極高的剪切速率下，熔體流線在入口區(qū)就發(fā)生擾亂，這時的擠出物必然呈無規(guī)破裂狀。 上面的機理分析是根據(jù)實驗現(xiàn)象和流變曲線并結(jié)合分析推理的結(jié)果，尚需要大量實驗與理論工作論證和驗證。

本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 集中效應(yīng)將轉(zhuǎn)到口模入口區(qū)。在極高的剪切速率下，熔體流線在入171.3影響熔體擠出破裂行為的因素

已知聚合物熔體發(fā)生擠出破裂行為是熔體具有彈性的一種表現(xiàn)。因此一切能夠影響熔體彈性的因素，都將影響聚合物熔體的擠出破裂行為。這些因素大致可分為三類：一是口模的形狀和尺寸；二是擠出成型過程的工藝條件；三是擠出物料的性質(zhì)。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3影響熔體擠出破裂行為的因素 本課件內(nèi)容均源于《高分181.3.1口模形狀、尺寸的影響 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口區(qū)為平口區(qū)（入口角）時，擠出破裂現(xiàn)象嚴(yán)重。而適當(dāng)改造入口區(qū)，將入口角減小變?yōu)槔瓤谛蜁r，擠出物外觀有明顯改善；且開始發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率（或臨界剪切應(yīng)力）增高。這一是由于喇叭口型中物料所受的拉伸形變較小，吸收的彈性形變能??；二是由于喇叭口型將死角切去，渦流區(qū)減小或消失，流線發(fā)展比較平滑。有時還采用二階喇叭口型，它可使臨界剪切速率進(jìn)一步提高。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3.1口模形狀、尺寸的影響本課件內(nèi)容均源于《高分子材料19本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等20

口模的定型長度L對熔體破裂行為也有明顯影響。對于LDPE型熔體，造成熔體破裂現(xiàn)象的根源在于入口區(qū)的流線擾動。這種擾動會因聚合物熔體的松弛行為而減輕，因而定型長度越長，彈性能松弛越多，熔體破裂程度就越輕。對于HDPE型流體，熔體破裂現(xiàn)象的原因在于模壁處的應(yīng)力集中效應(yīng)，因而定型長度越長，擠出物外觀反而不好。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著21本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等221.3.2擠出工藝條件和物料性質(zhì)的影響

高分子材料的非線性粘彈性源自于其寬廣的松弛時間譜，與高分子液體流動相聯(lián)系的特征松弛時標(biāo)非常長，因此在高剪切速率或高剪切應(yīng)力下，材料發(fā)生的彈性形變可能因來不及松弛而影響流動的穩(wěn)定性，熔體破裂現(xiàn)象為其中一種表現(xiàn)。換句話說，若工藝過程的特征時間小于材料本身的特征松弛時間，熔體破裂現(xiàn)象容易發(fā)生；反之，若工藝過程的特征時間加長，或使材料的特征松弛時間變短，都可能使熔體破裂現(xiàn)象減輕。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3.2擠出工藝條件和物料性質(zhì)的影響本課件內(nèi)容均源于《高分23本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等24 已知低密度聚乙烯通過口模時，其彈性形變主要發(fā)生在入口區(qū)。從圖中可見，擠出速度越小，材料發(fā)生的彈性形變小，且形變得以松弛的時間較長，因此熔體內(nèi)的壓力波動幅度較小。 熔體溫度升高，粘度下降，會使松弛時間縮短，從而使擠出物外觀得以改善。因此在工廠中，升高料溫(特別是口模區(qū)溫度)是解決熔體破裂的快速補救辦法。 從材料角度看，平均分子量大的物料，最大松弛時間較長，容易發(fā)生熔體破裂。而在平均分子量相等的條件下，分子本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 已知低密度聚乙烯通過口模時，其彈性形變主要發(fā)生在入口區(qū)。25 量分布較寬(較大)的物料的擠出行為較好，發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率較高，這可能與寬分布試樣中低分子量級分的增塑作用有關(guān)。 填料的作用，無論填加填充補強劑還是軟化增塑劑，都有減輕熔體破裂程度的作用。這一是因為某些軟化刑的增塑作用；二是填料本身無熵彈性，填入后使能夠發(fā)生破裂的熔體比例減少。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 量分布較寬(較大)的物料的擠出行為較好，發(fā)262.紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象2.1拉伸共振現(xiàn)象及其機理

拉伸共振現(xiàn)象指在熔體紡絲或平膜擠出成型過程中，當(dāng)拉伸比超過某一臨界拉伸比時，熔體絲條直徑(或平膜寬度)發(fā)生準(zhǔn)周期性變化的現(xiàn)象。由下圖可見，絲條直徑隨時間作不太規(guī)則的波動變化；拉伸比越大，波動周期越短，波動程度越劇烈。當(dāng)拉伸比超過最大極限拉伸比時，熔體絲條斷裂。在平膜擠出過程中，超過一定的拉伸比，膜帶寬度也會出現(xiàn)類似的脈動現(xiàn)象。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社2.紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象2.1拉伸共振現(xiàn)象及其機理27本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等28 拉伸共振現(xiàn)象與熔體擠出破裂現(xiàn)象的區(qū)別是：熔體擠出破裂現(xiàn)象取決于熔體在口模前(入口區(qū))與口模內(nèi)(模壁附近)的流動和變形狀況，它是熔體流動的不穩(wěn)定性在出口區(qū)的表現(xiàn)。而拉伸共振現(xiàn)象則多取決于熔體擠出口模后的拉伸流動，是自由拉伸的絲條或平膜在超過臨界拉伸比后發(fā)生的尺寸脈動現(xiàn)象。

聯(lián)系：熔體從噴絲口模擠出，若擠出速率超過臨界剪切速率，熔體擠出物發(fā)生畸變，但若加以適當(dāng)拉伸，熔體畸變現(xiàn)象減輕，提高拉伸比還能得到優(yōu)良的絲條。這一點對纖維紡絲工藝很重要，說明用增加拉伸速率的本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 拉伸共振現(xiàn)象與熔體擠出破裂現(xiàn)象的區(qū)別是：熔體擠出破裂現(xiàn)29 方法可以減輕纖維中因熔體破裂形成的缺陷。提高拉伸比對拉伸共振現(xiàn)象的影響則不同。一旦超過臨界拉伸比發(fā)生了絲條脈動，再提高拉伸比只能使脈動加劇，最后導(dǎo)致絲條斷裂。 發(fā)生拉伸共振現(xiàn)象的機理目前還不很清楚，據(jù)信仍與聚合物熔體的彈性行為有關(guān)?？梢栽O(shè)想，當(dāng)拉伸比超出一定范圍，熔體內(nèi)一部分高度取向的分子鏈，在高拉伸應(yīng)力下會發(fā)生類似橡皮筋斷裂狀的破裂，使已經(jīng)取向的分子鏈解取向，釋放出部分能量，而使絲條直徑變粗。然后在拉伸流場中，再重新本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 方法可以減輕纖維中因熔體破裂形成的缺陷。提高拉伸比對拉伸共30 建立分子鏈取向—斷裂—再解取向。如此往復(fù)，造成絲條直徑發(fā)生脈動變化的現(xiàn)象。 拉伸共振現(xiàn)象的出現(xiàn)表明聚合物熔體的貯能本領(lǐng)(彈性形變本領(lǐng))是有限的。當(dāng)拉伸比超出一定范圍，過多的彈性形變能將以其他形式釋放出來，纖維直徑變化現(xiàn)象只是其中之一。由此看來液體的彈性在粘彈性液體的流動中究竟起穩(wěn)定作用還是失穩(wěn)作用與具體的流場類型有關(guān)，不能一概而論。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 建立分子鏈取向—斷裂—再解取向。如此往復(fù)，造成絲條直徑發(fā)生312.2影響拉伸共振現(xiàn)象的因素 影響拉伸共振現(xiàn)象的因素大致也分為三類：擠出口模的形狀和尺寸；紡絲或擠膜工藝條件；聚合物熔體本身的彈性行為。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社2.2影響拉伸共振現(xiàn)象的因素本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流32 由圖可見，口模長徑比越大，臨界拉伸比越高，說明熔體紡絲穩(wěn)定性好。熔體溫度升高，粘度下降，松弛時間變短，因而臨界拉伸比提高，拉伸共振現(xiàn)象減輕。 實驗表明，紡絲成型過程中熔體絲條的冷卻方式對拉伸共振現(xiàn)象也有顯著影響。采用等溫冷卻方式的臨界拉伸比比非等溫冷卻方式的高。說明等溫紡絲工藝的穩(wěn)定性比低溫紡絲工藝的高，拉伸共振現(xiàn)象較輕。另外也可看出，當(dāng)熔體在擠出口模的表觀剪切速率大時，紡絲的臨界拉伸比下降，表明材料經(jīng)受較強烈的剪切—拉伸形變后，分子鏈取向較多，貯存的彈性能多，紡絲過程將變得不穩(wěn)定。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 由圖可見，口模長徑比越大，臨界拉伸比本課件內(nèi)容33本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等34本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等353.管壁滑移現(xiàn)象及Uhland模型 3.1管壁滑移現(xiàn)象 高分子液體在管道、模具、儀器或設(shè)備內(nèi)部流動時，我們通?？偸羌俣ㄗ钯N近管道壁或流道壁的非常薄的一層物料與管壁之間是相對不運動的。由于粘附作用，這層物料的運動速度可以認(rèn)為等于管壁運動速度，這個假定稱為“管壁無滑移假定”。 但實際上，這個假定有時不能成立。當(dāng)物料在流道壁承受的剪切應(yīng)力超過某一個臨界剪切應(yīng)力時，熔體將沿著流道壁發(fā)生滑動。緊貼流道壁的那一層物料具有一個有限的相對滑動速度。這種現(xiàn)象稱為“管壁滑移現(xiàn)象”。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社3.管壁滑移現(xiàn)象及Uhland模型 3.1管壁滑移現(xiàn)象 36本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等37 圖(a)的速度場是按“管壁無滑移假定”描寫的，其最貼近流道壁的一層物料運動速度等于零。圖(c)流道中的速度場則不同，我們看到最貼近流道壁的一層物料也在運動，其運動速度等于管壁滑移速度?？梢钥闯?，這種情況下通過流道的液體體積流量比圖(a)的大。還有一種情形(b)介于兩者之間，即“管壁無滑移假定”仍然成立，但是在流道壁附近出現(xiàn)一層流速很低的(肯定粘度不同的)物料流，使流動分層，這種情形多半是由于物料配方中外潤滑劑用量過多所致。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 圖(a)的速度場是按“管壁無滑移假定”描寫的，其最貼近流38 實驗表明，管壁滑移現(xiàn)象多發(fā)生在高剪切、低粘附的管道邊界狀態(tài)中，但熔體在管壁的滑移速度則很難測量。

對于HDPE型熔體，正是由于熔體在管壁附近發(fā)生“時滑時粘”的壓力或速度振蕩，才導(dǎo)致了熔體擠出后的有規(guī)破裂。管壁滑移現(xiàn)象作為一種特殊的熔體流動不穩(wěn)定行為，一方面破壞了我們以往在進(jìn)行流場分析時約定的邊界條件，另一方面它也必然對高分子材料加工行為帶來影響，而且這種影響可能因管壁滑移速度很難測量而無法精確估計。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 實驗表明，管壁滑移現(xiàn)象多發(fā)生在高剪切、低粘附的管道邊界393.2Uhland模型 Uhland提出一種描述管壁滑移現(xiàn)象的模型。模型基于計算固體材料在一個壁面摩擦力大小的Goulomb定律。 考察通過管道物料流中的一個流體元。當(dāng)發(fā)生管壁滑移時，作用在流體元上的粘滯力(即管壁處的剪切應(yīng)力)應(yīng)(大于)等于管壁對物料的摩擦阻力。（9-1）

式中：為滑動摩擦系數(shù)；p為流體元處的壓力；為流體元所受的總滑動摩擦力；A為摩擦面積。負(fù)號表示壓力指向流體元內(nèi)部。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社3.2Uhland模型本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳40本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等41 設(shè)管道終點處(處)的流體壓力為。積分上式，可得到壓力p沿管道長度z方向的分布：(9-2) 代入式（9-1），得到：（9-3）

本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 設(shè)管道終點處(處)的流體壓力為42 由上式可見，在發(fā)生管壁滑移時，管壁處物料所受的剪切應(yīng)力沿管道長度方向不再是一個常數(shù)值，這是與管壁無滑移時大不相同的。同時壓力沿管道長度方向的梯度也不再是定值。 從式(9-1)和式(9-3)還可以看出，流體元所受的總滑動摩擦力與管道中流體的內(nèi)壓力有關(guān)。流體元距離管道出口越遠(yuǎn)，值越大。因此可以想象，管道中存在著這樣一點，在該點處，滑動摩擦力與流體元承受的剪切應(yīng)力相等。點將管道分成兩部分：在段(接近管道出口處)，總摩本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 由上式可見，在發(fā)生管壁滑移時，管壁處物料所受的剪切應(yīng)力沿管43 擦力因管內(nèi)流體壓力減小而減小，總摩擦力不足以承受流體元所受的剪切應(yīng)力，可能發(fā)生管壁滑移。而在此之前，在段，流體元所受的摩擦力(最大靜摩擦力，通常它大于滑動摩擦力)大于(等于)其因剪切流動所受的剪切應(yīng)力，物料粘附在管壁上，管壁無滑移假定成立。 點的位置可以求得。設(shè)物料的流動性質(zhì)符合冪律方程，由式（9-1）、式（9-3）及管道流動中的壓力梯度公式，求得：本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 擦力因管內(nèi)流體壓力減小而減小，總摩擦力不足以承受流體44 式中：Q為體積流量；R為管道半徑；n為冪指數(shù)。 管道中物料的流速分布： 速度分布公式由兩項組成，第一項為管壁滑移速度，第二項粘性流動速度。這兩項均為坐標(biāo)z的函數(shù)。進(jìn)一步計算，可以求出管本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等45 壁滑移速度的表達(dá)式： 由上式得知，物料在管壁的滑移速度在管道（口模）出口處（z=L）取極大值，而在處等于零。點正是區(qū)分管壁滑移和管壁粘附的分水嶺。 結(jié)論：管壁滑移現(xiàn)象主要發(fā)生在管道(口模)出口區(qū)域，在管道(口模)出口處特別顯著，并沿著反物料流動的方向逐漸減弱。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 壁滑移速度的表達(dá)式：本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳46 但是在實際應(yīng)用中尚有許多困難。其中之一是高分子材料，特別是高分子熔體的摩擦系數(shù)難以確定，另外管壁上的滑移速度也很難測量。因此上述討論更重要的是其理論意義，即對管壁滑移現(xiàn)象有一個理性認(rèn)識。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 但是在實際應(yīng)用中尚有許多困難。其中之一是高分子材料，特別47第九章高分子熔體流動不穩(wěn)定性及壁滑現(xiàn)象本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社第九章高分子熔體流動不穩(wěn)定性及壁滑現(xiàn)象本課件內(nèi)容均源于48 在前面討論的高分子材料成型加工過程和流變學(xué)測量中，都不加證明地假定其中的高分子液體的流動為穩(wěn)定的連續(xù)流動。流場中流線平行，不發(fā)生紊亂。同時還提出“管壁無滑移假定”，認(rèn)為流場中最貼近管壁、器壁的那一層物料，是緊貼在壁上，與壁的運動狀態(tài)一致。 然而，在實際的高分子材料成型加工過程及流變學(xué)測量中，物料的流動狀態(tài)受諸多內(nèi)部和外部因素影響，流場中常常出現(xiàn)流動不穩(wěn)定的情形。許多情況下，流場的邊界條件存在一個臨界值。一旦超越該臨界值，就會發(fā)生從層流到湍流，從平整到波動，從流線本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 在前面討論的高分子材料成型加工過程和流變學(xué)測量中，都不加49 穩(wěn)定到流線紊亂，從管壁無滑移到有滑移的轉(zhuǎn)變，破壞了事先假定的穩(wěn)定流動條件。這個問題的工程學(xué)意義是，當(dāng)工藝過程條件不合適時，會造成制品外觀、規(guī)格尺寸及材質(zhì)均一性嚴(yán)重受損。直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率，嚴(yán)重時甚至使生產(chǎn)無法進(jìn)行。 高分子熔體的流動不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為擠出成型過程中的熔體破裂現(xiàn)象、拉伸成型過程(纖維紡絲和薄膜拉伸成型)中的拉伸共振現(xiàn)象及輥筒加工過程中的物料斷裂現(xiàn)象等。盡管目前關(guān)于高分子熔體流動不穩(wěn)定性及管壁滑移的機理研究尚不夠深入，有些問題還有爭論，但可以肯定地說，這些現(xiàn)象與高分子液體的非線性粘彈行為，尤其是彈性行為有關(guān)，是高分子液體彈性湍流的表現(xiàn)。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 穩(wěn)定到流線紊亂，從管壁無滑移到有滑移的轉(zhuǎn)變，破壞了事先假定501.擠出成型過程中的熔體破裂行為

在擠出成型過程或毛細(xì)管流變儀測量中，當(dāng)熔體擠出剪切速率超過某一個臨界剪切速率時，擠出物表面開始出現(xiàn)畸變。最初是表面粗糙，而后隨剪切速率(或剪切應(yīng)力)的增大，分別出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、螺旋形畸變，直至無規(guī)破裂。這一現(xiàn)象稱為熔體的擠出破裂行為。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.擠出成型過程中的熔體破裂行為 本課件內(nèi)容均源于《高51鯊魚皮形波浪形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破裂本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社鯊魚皮形波浪形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破裂本課件內(nèi)容均源于《高分子52 從現(xiàn)象上概括地分，擠出破裂行為可歸為兩類：一類稱為LDPE(低密度聚乙烯)型。破裂的特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)擠出剪切速率超過臨界剪切速率發(fā)生熔體破裂時，呈現(xiàn)無規(guī)破裂狀。屬于此類的材料多為帶支鏈或大側(cè)基的聚合物，如聚苯乙烯、丁苯橡膠、支化的聚二甲基硅氧烷等。另一類稱為HDPE(高密度聚乙烯)型。熔體破裂的特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，而后隨著剪切速率的提高逐步出現(xiàn)有規(guī)則的畸變，如竹節(jié)狀、螺旋形畸變等。剪切速率很高時，出現(xiàn)無規(guī)破裂。屬于此類的材料多為線形分子聚合物本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 從現(xiàn)象上概括地分，擠出破裂行為可歸為兩類：一類稱為LDP53 如聚丁二烯、乙烯—丙烯共聚物、線形的聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等。 從流變曲線看，當(dāng)發(fā)生熔體破裂時，兩類材料的流動曲線又明顯的差別。屬于LDPE型的熔體，其流變曲線上可明確標(biāo)出臨界剪切速率或臨界剪切應(yīng)力的位置，曲線在臨界剪切速率之前為光滑曲線，之后出現(xiàn)一些波動，但基本為一連續(xù)曲線。屬于HDPE型的熔體，其流變曲線在達(dá)到臨界剪切速率后變得比較復(fù)雜。隨著剪切速率的提高，流變曲線出現(xiàn)大幅度壓力振蕩或剪切速率突變，曲線不連續(xù)，有時使流變測量不能進(jìn)行。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 如聚丁二烯、乙烯—丙烯共聚物、線形的聚二甲基硅氧烷、聚四氟54本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等55本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等56 上圖中，AB段為低剪切速率下的正常擠出段，曲線光滑。至第一臨界剪切速率后(即BC段)，擠出物表面開始出現(xiàn)粗糙和(或)有規(guī)則的擠出畸變。相應(yīng)地在流變曲線上出現(xiàn)明顯的壓力振蕩，得不到確定的測量數(shù)據(jù)。剪切速率繼續(xù)升高，達(dá)到第二臨界剪切速率后，流變曲線躍落，按DE段繼續(xù)發(fā)展，擠出物表面可能又變得光滑。這一區(qū)域稱為第二光滑擠出區(qū)。達(dá)到再一個臨界剪切速率后，擠出物再次呈現(xiàn)熔體破裂，但此時為無規(guī)破裂狀，直到擠出物完全粉碎。第二光滑擠出區(qū)的出現(xiàn)是一個有趣且有意義的現(xiàn)象。擠出成型過程中，若進(jìn)過了一段有規(guī)則畸變的壓力振蕩和不穩(wěn)定流動后，提高剪切速率又會使擠出物表面光滑，無疑對提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率有利。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 上圖中，AB段為低剪切速率下的正常擠出段，曲線光滑。至第571.2熔體破裂現(xiàn)象的機理分析 造成熔體破裂現(xiàn)象的機理十分復(fù)雜，與熔體的非線性粘彈性、與分子鏈在剪切流場中的取向和解取向(構(gòu)象變化及分子鏈松弛的滯后性)、纏結(jié)和解纏結(jié)及外部工藝條件諸因素有關(guān)。從形變能的觀點看，高分子液體的彈性是有限的，其彈性貯能本領(lǐng)也是有限的。當(dāng)外力作用速率很大，外界賦予液體的形變能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出液體可承受的極限時，多余的能量將以其他形式表現(xiàn)出來，其中產(chǎn)生新表面、消耗表面能是一種形式，即發(fā)生熔體破裂。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.2熔體破裂現(xiàn)象的機理分析 造成熔體破裂現(xiàn)象的機理十58 實驗發(fā)現(xiàn)，LDPE型和HDPE型熔體流經(jīng)口模時的應(yīng)力分布狀態(tài)不同。對于LDPE型熔體，其應(yīng)力主要集中在口模入口區(qū)，且入口區(qū)的流線呈典型的喇叭形收縮，在口模死角處存在環(huán)流或渦流。當(dāng)剪切速率較低時，流動是穩(wěn)定的，死角處的渦流也是穩(wěn)定的，對擠出物不產(chǎn)生影響。但是，當(dāng)剪切速率后，入口區(qū)出現(xiàn)強烈的拉伸流，其造成的拉伸形變超過熔體所能承受的彈性形變極限，強烈的應(yīng)力集中效應(yīng)使主流道內(nèi)的流線斷裂，使死角區(qū)的環(huán)流或渦流乘機進(jìn)入主流道而混入口模。主流線斷裂后，應(yīng)力局本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 實驗發(fā)現(xiàn)，LDPE型和HDPE型熔體流經(jīng)口模時的應(yīng)力分布59本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等60 部下降，又會恢復(fù)穩(wěn)定流動，然后再一次集中彈性形變能，再一次流線斷裂。這樣交替輪換，主流道和環(huán)流區(qū)的流體將輪番進(jìn)入口模。這是兩種形變歷史和攜帶能量完全不同的流體，可以預(yù)見，它們擠出時的彈性松弛行為也完全不同，由此造成口模出口處擠出物的無規(guī)畸變。 對于HDPE型熔體，其流動時的應(yīng)力集中效應(yīng)主要不在口模入口區(qū)，而是發(fā)生在口模內(nèi)壁附近，口模入口區(qū)不存在死角環(huán)流。低剪切速率時，熔體流過口模壁，在壁上無滑移，擠出過程正常。當(dāng)剪切速率增高到一定程度，由于模壁附近的應(yīng)力集中效應(yīng)突出，本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 部下降，又會恢復(fù)穩(wěn)定流動，然后再一次集中彈性形變能，再一次61本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等62 此處的流線會發(fā)生斷裂(一個原因是由于分子鏈解纏結(jié)造成的)。又因為應(yīng)力集中使熔體貯能大大增加，當(dāng)能量累積到超過熔體與模壁之間的摩擦力所能承受的極限時，將造成熔體沿模壁滑移，熔體突然增速(柱塞上壓力下降)，同時釋放出能量。釋能后的熔體又會再次與模壁粘著，從而再集中能量，再發(fā)生滑移。這種過程周而復(fù)始，將造成聚合物熔體在模壁附近“時滑時粘”，表現(xiàn)在擠出物上呈現(xiàn)出竹節(jié)狀或套錐形的有規(guī)畸變。當(dāng)剪切速率再增大時，熔體在模壁附近會出現(xiàn)“全滑動”，這時反而能得到表面光滑的擠出物，即所謂第二光滑擠出區(qū)。此時應(yīng)力本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 此處的流線會發(fā)生斷裂(一個原因是由于分子鏈解纏結(jié)造成的)。63 集中效應(yīng)將轉(zhuǎn)到口模入口區(qū)。在極高的剪切速率下，熔體流線在入口區(qū)就發(fā)生擾亂，這時的擠出物必然呈無規(guī)破裂狀。 上面的機理分析是根據(jù)實驗現(xiàn)象和流變曲線并結(jié)合分析推理的結(jié)果，尚需要大量實驗與理論工作論證和驗證。

本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 集中效應(yīng)將轉(zhuǎn)到口模入口區(qū)。在極高的剪切速率下，熔體流線在入641.3影響熔體擠出破裂行為的因素

已知聚合物熔體發(fā)生擠出破裂行為是熔體具有彈性的一種表現(xiàn)。因此一切能夠影響熔體彈性的因素，都將影響聚合物熔體的擠出破裂行為。這些因素大致可分為三類：一是口模的形狀和尺寸；二是擠出成型過程的工藝條件；三是擠出物料的性質(zhì)。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3影響熔體擠出破裂行為的因素 本課件內(nèi)容均源于《高分651.3.1口模形狀、尺寸的影響 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口區(qū)為平口區(qū)（入口角）時，擠出破裂現(xiàn)象嚴(yán)重。而適當(dāng)改造入口區(qū)，將入口角減小變?yōu)槔瓤谛蜁r，擠出物外觀有明顯改善；且開始發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率（或臨界剪切應(yīng)力）增高。這一是由于喇叭口型中物料所受的拉伸形變較小，吸收的彈性形變能?。欢怯捎诶瓤谛蛯⑺澜乔腥?，渦流區(qū)減小或消失，流線發(fā)展比較平滑。有時還采用二階喇叭口型，它可使臨界剪切速率進(jìn)一步提高。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3.1口模形狀、尺寸的影響本課件內(nèi)容均源于《高分子材料66本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等67

口模的定型長度L對熔體破裂行為也有明顯影響。對于LDPE型熔體，造成熔體破裂現(xiàn)象的根源在于入口區(qū)的流線擾動。這種擾動會因聚合物熔體的松弛行為而減輕，因而定型長度越長，彈性能松弛越多，熔體破裂程度就越輕。對于HDPE型流體，熔體破裂現(xiàn)象的原因在于模壁處的應(yīng)力集中效應(yīng)，因而定型長度越長，擠出物外觀反而不好。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著68本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等691.3.2擠出工藝條件和物料性質(zhì)的影響

高分子材料的非線性粘彈性源自于其寬廣的松弛時間譜，與高分子液體流動相聯(lián)系的特征松弛時標(biāo)非常長，因此在高剪切速率或高剪切應(yīng)力下，材料發(fā)生的彈性形變可能因來不及松弛而影響流動的穩(wěn)定性，熔體破裂現(xiàn)象為其中一種表現(xiàn)。換句話說，若工藝過程的特征時間小于材料本身的特征松弛時間，熔體破裂現(xiàn)象容易發(fā)生；反之，若工藝過程的特征時間加長，或使材料的特征松弛時間變短，都可能使熔體破裂現(xiàn)象減輕。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社1.3.2擠出工藝條件和物料性質(zhì)的影響本課件內(nèi)容均源于《高分70本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等71 已知低密度聚乙烯通過口模時，其彈性形變主要發(fā)生在入口區(qū)。從圖中可見，擠出速度越小，材料發(fā)生的彈性形變小，且形變得以松弛的時間較長，因此熔體內(nèi)的壓力波動幅度較小。 熔體溫度升高，粘度下降，會使松弛時間縮短，從而使擠出物外觀得以改善。因此在工廠中，升高料溫(特別是口模區(qū)溫度)是解決熔體破裂的快速補救辦法。 從材料角度看，平均分子量大的物料，最大松弛時間較長，容易發(fā)生熔體破裂。而在平均分子量相等的條件下，分子本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 已知低密度聚乙烯通過口模時，其彈性形變主要發(fā)生在入口區(qū)。72 量分布較寬(較大)的物料的擠出行為較好，發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率較高，這可能與寬分布試樣中低分子量級分的增塑作用有關(guān)。 填料的作用，無論填加填充補強劑還是軟化增塑劑，都有減輕熔體破裂程度的作用。這一是因為某些軟化刑的增塑作用；二是填料本身無熵彈性，填入后使能夠發(fā)生破裂的熔體比例減少。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 量分布較寬(較大)的物料的擠出行為較好，發(fā)732.紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象2.1拉伸共振現(xiàn)象及其機理

拉伸共振現(xiàn)象指在熔體紡絲或平膜擠出成型過程中，當(dāng)拉伸比超過某一臨界拉伸比時，熔體絲條直徑(或平膜寬度)發(fā)生準(zhǔn)周期性變化的現(xiàn)象。由下圖可見，絲條直徑隨時間作不太規(guī)則的波動變化；拉伸比越大，波動周期越短，波動程度越劇烈。當(dāng)拉伸比超過最大極限拉伸比時，熔體絲條斷裂。在平膜擠出過程中，超過一定的拉伸比，膜帶寬度也會出現(xiàn)類似的脈動現(xiàn)象。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社2.紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象2.1拉伸共振現(xiàn)象及其機理74本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等75 拉伸共振現(xiàn)象與熔體擠出破裂現(xiàn)象的區(qū)別是：熔體擠出破裂現(xiàn)象取決于熔體在口模前(入口區(qū))與口模內(nèi)(模壁附近)的流動和變形狀況，它是熔體流動的不穩(wěn)定性在出口區(qū)的表現(xiàn)。而拉伸共振現(xiàn)象則多取決于熔體擠出口模后的拉伸流動，是自由拉伸的絲條或平膜在超過臨界拉伸比后發(fā)生的尺寸脈動現(xiàn)象。

聯(lián)系：熔體從噴絲口模擠出，若擠出速率超過臨界剪切速率，熔體擠出物發(fā)生畸變，但若加以適當(dāng)拉伸，熔體畸變現(xiàn)象減輕，提高拉伸比還能得到優(yōu)良的絲條。這一點對纖維紡絲工藝很重要，說明用增加拉伸速率的本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 拉伸共振現(xiàn)象與熔體擠出破裂現(xiàn)象的區(qū)別是：熔體擠出破裂現(xiàn)76 方法可以減輕纖維中因熔體破裂形成的缺陷。提高拉伸比對拉伸共振現(xiàn)象的影響則不同。一旦超過臨界拉伸比發(fā)生了絲條脈動，再提高拉伸比只能使脈動加劇，最后導(dǎo)致絲條斷裂。 發(fā)生拉伸共振現(xiàn)象的機理目前還不很清楚，據(jù)信仍與聚合物熔體的彈性行為有關(guān)?？梢栽O(shè)想，當(dāng)拉伸比超出一定范圍，熔體內(nèi)一部分高度取向的分子鏈，在高拉伸應(yīng)力下會發(fā)生類似橡皮筋斷裂狀的破裂，使已經(jīng)取向的分子鏈解取向，釋放出部分能量，而使絲條直徑變粗。然后在拉伸流場中，再重新本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 方法可以減輕纖維中因熔體破裂形成的缺陷。提高拉伸比對拉伸共77 建立分子鏈取向—斷裂—再解取向。如此往復(fù)，造成絲條直徑發(fā)生脈動變化的現(xiàn)象。 拉伸共振現(xiàn)象的出現(xiàn)表明聚合物熔體的貯能本領(lǐng)(彈性形變本領(lǐng))是有限的。當(dāng)拉伸比超出一定范圍，過多的彈性形變能將以其他形式釋放出來，纖維直徑變化現(xiàn)象只是其中之一。由此看來液體的彈性在粘彈性液體的流動中究竟起穩(wěn)定作用還是失穩(wěn)作用與具體的流場類型有關(guān)，不能一概而論。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 建立分子鏈取向—斷裂—再解取向。如此往復(fù)，造成絲條直徑發(fā)生782.2影響拉伸共振現(xiàn)象的因素 影響拉伸共振現(xiàn)象的因素大致也分為三類：擠出口模的形狀和尺寸；紡絲或擠膜工藝條件；聚合物熔體本身的彈性行為。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社2.2影響拉伸共振現(xiàn)象的因素本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流79 由圖可見，口模長徑比越大，臨界拉伸比越高，說明熔體紡絲穩(wěn)定性好。熔體溫度升高，粘度下降，松弛時間變短，因而臨界拉伸比提高，拉伸共振現(xiàn)象減輕。 實驗表明，紡絲成型過程中熔體絲條的冷卻方式對拉伸共振現(xiàn)象也有顯著影響。采用等溫冷卻方式的臨界拉伸比比非等溫冷卻方式的高。說明等溫紡絲工藝的穩(wěn)定性比低溫紡絲工藝的高，拉伸共振現(xiàn)象較輕。另外也可看出，當(dāng)熔體在擠出口模的表觀剪切速率大時，紡絲的臨界拉伸比下降，表明材料經(jīng)受較強烈的剪切—拉伸形變后，分子鏈取向較多，貯存的彈性能多，紡絲過程將變得不穩(wěn)定。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 由圖可見，口模長徑比越大，臨界拉伸比本課件內(nèi)容80本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等81本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等823.管壁滑移現(xiàn)象及Uhland模型 3.1管壁滑移現(xiàn)象 高分子液體在管道、模具、儀器或設(shè)備內(nèi)部流動時，我們通常總是假定最貼近管道壁或流道壁的非常薄的一層物料與管壁之間是相對不運動的。由于粘附作用，這層物料的運動速度可以認(rèn)為等于管壁運動速度，這個假定稱為“管壁無滑移假定”。 但實際上，這個假定有時不能成立。當(dāng)物料在流道壁承受的剪切應(yīng)力超過某一個臨界剪切應(yīng)力時，熔體將沿著流道壁發(fā)生滑動。緊貼流道壁的那一層物料具有一個有限的相對滑動速度。這種現(xiàn)象稱為“管壁滑移現(xiàn)象”。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社3.管壁滑移現(xiàn)象及Uhland模型 3.1管壁滑移現(xiàn)象 83本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等84 圖(a)的速度場是按“管壁無滑移假定”描寫的，其最貼近流道壁的一層物料運動速度等于零。圖(c)流道中的速度場則不同，我們看到最貼近流道壁的一層物料也在運動，其運動速度等于管壁滑移速度?？梢钥闯?，這種情況下通過流道的液體體積流量比圖(a)的大。還有一種情形(b)介于兩者之間，即“管壁無滑移假定”仍然成立，但是在流道壁附近出現(xiàn)一層流速很低的(肯定粘度不同的)物料流，使流動分層，這種情形多半是由于物料配方中外潤滑劑用量過多所致。本課件內(nèi)容均源于《高分子材料流變學(xué)》吳其曄巫靜安編著高等教育出版社 圖(a)的速度場是按“管壁無滑移假定”描寫的，其最貼近流85 實驗表明，管壁滑移現(xiàn)象多發(fā)生在高剪切、低粘附的管道邊界狀態(tài)中，但熔體在管壁的滑移速度則很難測量。

對于HDPE型熔體，正是由于熔體在管壁附近發(fā)生“時滑時粘”的壓力或速度振蕩，才導(dǎo)致了熔體擠出后的有規(guī)破裂。管壁滑移現(xiàn)象作為一種特殊的熔體流動不穩(wěn)定行為，一方面破壞了