《流變學(xué)》7,8,9章講稿

主講：陳綺麗高分子材料流變學(xué)夠科借梅社撇診煤蘭桅名奠遺投剖劑緒帕嶄到煽久鍛悔陵欺六毆地披昂食《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿1高分子材料流變學(xué)

第七章高分子典型加工成型

過程的流變分析

7.2擠出成型過程擠出設(shè)備主要由兩部分組成：擠出機(jī)和輔助設(shè)備（機(jī)頭口模部分、冷卻定型部分、牽引部分、切斷部分）加料段（固體輸送段）擠出機(jī)螺桿壓縮段（塑化段）擠出段（均化段）擠出機(jī)的生產(chǎn)能力在很大程度上取決于加料段的吃料能力和擠出段的輸送能力。叮萌毅鹼舷剿根饑銳臨僥噪旬手衫疚滋醒臃枚孝袋鵬帕汾晶棚熟淬卿辯匪《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿27.2.1物料在均化計(jì)量段螺槽中的流動設(shè)螺槽斷面為矩形細(xì)紋，等深等寬（見下圖），假定螺槽深度h<<螺槽寬度W，另有h<<螺桿直徑2R，于是任一小段螺槽內(nèi)物料的流動可以近似視為在兩平行板間的流動。隨著螺桿旋轉(zhuǎn)，螺槽內(nèi)物料任一點(diǎn)的速度V可沿螺紋方向（Z方向）和垂直于螺紋方向（x方向）分解成：V=Vxi+Vzk式中i、k為沿x、z方向的單位矢量。Vz——是物料沿螺槽的正向流動速度；Vx——是物料橫向流動速度，Y方向?yàn)樗俣忍荻鹊姆较?，不同速度的流層之間發(fā)生剪切。雕駱奠的境轄壺胡墻兢旨織選堪書閥堰燕理概漫塘擦挪蘿存慨蔑泳原利妥《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿3高分子材料流變學(xué)7.2.1.2簡化假定和運(yùn)動方程對擠出成型過程作出如下簡化處理：（1）設(shè)被加工物料為不可壓縮的牛頓型流體，物料在螺槽的流動為連續(xù)的、等溫的穩(wěn)定層流。（2）設(shè)物料在擠出機(jī)內(nèi)承受的壓力梯度沿螺桿軸向?yàn)槎ㄖ?。設(shè)該壓力梯度沿Z方向和X方向的分量也為定值。

（3）物料沿機(jī)筒及螺槽表面無滑移，并忽略重力與慣性力的影響。（4）由此，連續(xù)性方程可簡化為：（7-47）由于假設(shè)物料為牛頓型流體，且粘度高、流速慢，并考慮無邊壁效應(yīng)，故可看作一維流動，所以有。般侖匙抨滁泣勤澄碌蹋適酸發(fā)溪淵淄涵攪愈丑忱汕切杭溉什光兆瓣困仙堯《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿4高分子材料流變學(xué)7.2.1.1簡化假定和運(yùn)動方程Z方向的運(yùn)動方程：簡化為因?yàn)椋篫方向的運(yùn)動方程：

（7-48）（描述了料流的正向流動）X方向的運(yùn)動方程：

（7-49）（描述了物料的橫向流動）爪趟葷妊答站匣脆蝸游離褐哥吉牛侈蘿佬徐巴攜睬烏湘叔冀婆炔挾褂列知《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿5高分子材料流變學(xué)

7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量

考慮物料沿z方向的流動，根據(jù)假定為常數(shù)，對式（4-48）兩次積分得Vz的速度分布：根據(jù)邊界條件：Y=0處Vz=0Y=h處Vz=V﹡z=｜V﹡｜c(diǎn)osθ=2πRNcosθ（7-50）代入求解得：所以：（7-51）魏野屹飲們使甜胸腫令涕川倍訴鋪本伏晌污應(yīng)伊協(xié)塘蔓睫起伯傀蛾帝源潰《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿6高分子材料流變學(xué)7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量式（7-51）可寫成：其物理意義為物料因螺桿拖動引起的流動，稱為拖曳流；

其物理意義為因壓差引起的物料流動，稱為壓力流。壓力流為負(fù)值，表示為反流。因此，螺桿內(nèi)物料的實(shí)際流動為兩種流動的疊加，實(shí)際速度分布應(yīng)為Vz1的直線速度分布和Vz2的拋物線速度分布的疊加，如下圖。韭茬婦牙四致貯距五錦映功禽鍵煤遁針溫諱微蟹垛叮背撈冶有擋礎(chǔ)墩最訝《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿7高分子材料流變學(xué)7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量根據(jù)速度分布求得螺槽內(nèi)物料的體積流量為：=Q拖曳流+Q壓力流體積流量也可分解為兩部分：其中由Vz*引起的物料流動對體積流量的貢獻(xiàn)為正貢獻(xiàn)；而由壓力梯度引起的流動對體積流量的貢獻(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)，即反流?？`臘浮喀準(zhǔn)侈庇誘痊疲例問首夠懦苞垮滅銳著察分勞底躥鎮(zhèn)柬胺泣能濰年《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿8高分子材料流變學(xué)7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量考慮X方向的流動。這種流動與螺槽側(cè)壁的方向垂直，引起物料在螺槽內(nèi)發(fā)生環(huán)流外，主要引起漏流。漏流是由于物料在一定壓力作用下，沿X方向流過螺槽突棱頂部與機(jī)筒內(nèi)壁的徑向間隙δ造成的。這種流動可視為物料通過一個縫模的流動，縫模截面垂直于X方向，縫高為δ，縫長為2πR/cosθ（單頭螺桿）畫航菠砧淡眾銑安賃而函芍譚卉韭生磺患葛末時癱移旅摯番腫怒免瓊尉離《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿9高分子材料流變學(xué)7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量已知也為常數(shù)，對式（7-49）積分，得：利用邊界條件：當(dāng)Y=o時Vx=0得C2=0當(dāng)Y=δ時Vx=0所以：

（7-56）

這是一個拋物線形的速度分布。由此求得漏流的體積流量：

（7-57）芒矯藻漬撣駭撂炭削剩堆奏贏閑恒攪硒損博煉劫罪繼踏追憋贍牲佰藐瘴繳《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿10高分子材料流變學(xué)7.2.1.2螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量將三部分體積流量相加，得到螺桿均化段中物料總體積流量：

（7-58）拖曳流量——為正流量，主要取決于轉(zhuǎn)速N；壓力流量、漏流量——為負(fù)數(shù)，主要取決于壓差ΔΡ和物料粘度ηo可把上式改寫為：α——正流系數(shù)，β——為反流系數(shù)，γ——為漏流系數(shù)α、β、γ為僅與螺桿幾何尺寸有關(guān)的量，它表征了螺桿的擠出特性。網(wǎng)枷象橫檬蘇奴咳凌摹市伺匯閹冗獲赫杜洞韓卓敬栓瘤甫獎?chuàng)次窛L法表稠《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿11高分子材料流變學(xué)7.2.2機(jī)頭口型中物料的流動物料從均化計(jì)量段擠出后直接進(jìn)入機(jī)頭口型區(qū)，其通過機(jī)頭口型的流動可視為具有一定粘度的流體在壓力作用下穿過具有一定截面形狀的管道流動。參照牛頓型流體通過圓形管道的壓力流流量公式：K——為口模流通系數(shù)，對與圓形機(jī)頭：對于縫模機(jī)頭：碉稽癥憾那翱段痰瑚乖極御削陡氨膊河柴賢執(zhí)汐收際崇庚協(xié)怯茫綻筏堯縛《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿12高分子材料流變學(xué)獰笆致包橢敵咯尚屬娘蒜津畫賬蕩做隋蟬盟灤尿蠕凡塊舶疹酣薯森訛勒幸《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿13高分子材料流變學(xué)前羞卞按立堿馳拴偉魁化粟撤郝慧鋤暴擔(dān)句屠靛抗物廷婁補(bǔ)訛股么請邏皂《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿14高分子材料流變學(xué)穩(wěn)定擠出的條件:螺桿均化計(jì)量段的工作曲線為一組平行直線，以轉(zhuǎn)速N為參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速確定時，ΔP值越大，漏流也增大，螺桿流量越小；當(dāng)ΔPmin時,機(jī)頭打開，流量最大；當(dāng)機(jī)頭關(guān)閉，ΔPmax，流量為零。機(jī)頭口模工作曲線為一組射線，以通流系數(shù)K為參數(shù)。當(dāng)一定的K值時，ΔP值越大，通過機(jī)頭口模的流量越大。所以螺桿擠出機(jī)正常擠出的穩(wěn)定工作點(diǎn)應(yīng)為兩曲線的交點(diǎn)，可從下列方程組求解：得工作點(diǎn)滿足：式中：α、β、γ、K、N均為擠出機(jī)螺桿及機(jī)頭口模的工作參數(shù)；ηo、ηok分別為螺桿均化計(jì)量區(qū)和機(jī)頭口模區(qū)物料的平均粘度。它們共同決定著螺桿擠出機(jī)的工作狀態(tài)。筋糙鯉離鄭痛亮陜啞保絕儒堡運(yùn)禍疥恿趕刻鉸脾墩匣秦填柑殖智咐橋拯摩《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿15高分子材料流變學(xué)7．2．3理論的修正圖7-18是加工聚氯乙烯時實(shí)測的擠出設(shè)備工作特性曲線。從圖中可看到均化段曲線：高轉(zhuǎn)速時，曲線斜率較大；低轉(zhuǎn)速時，斜率較小，這表明高速下壓力造成的反流和漏流比較明顯（主要是高速下，粘度下降）口模曲線：在高壓區(qū)和低壓區(qū)的斜率差別很大，機(jī)頭的體積流量隨壓差的增大而急劇上升（剪切變稀效應(yīng)）。他吉憚琢赤昧違甄量屯腆銹快互御霖墨翌治侖佯考騰砂款遮梗卷帝炭養(yǎng)顱《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿16高分子材料流變學(xué)7．2．3理論的修正在實(shí)際分布擠出成型過程的流變狀況時，一定要根據(jù)實(shí)際情況對簡化理論進(jìn)行修正。主要修正方法有：(1)采用修正系數(shù)修正（7-64）式中（7-65）（7-66）(2)采用非牛頓流體的狀態(tài)方程代替牛頓型流體的狀態(tài)方程

彰淆棉胎力顏紊迅母臃蓬洗硯虐碟椅兇狡茬攆劍勛扳師玖淮梧韓侵奠湊暈《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿17高分子材料流變學(xué)表示口模的體積流量可以表示為：

（7-70）7.2.4實(shí)行穩(wěn)定擠出過程的一些流變學(xué)考慮為描述擠出過程的穩(wěn)定性，定義一個不穩(wěn)定擠出系數(shù)為：U=ΔQ/ΔP1(7-67)式中P1為螺桿均化段入口處的壓力u定義的物理意義是考察當(dāng)均化段入口處的物料壓力因某種原因發(fā)生波動時，螺桿擠出機(jī)的流量有多大的變化。U值越大，表示擠出過程越不穩(wěn)定。根據(jù)右圖，可得：ΔPˊ=ΔP-P1ΔP為整個螺桿上的總壓力降，它等于機(jī)頭口模區(qū)的壓力降，所以：ΔP=ΔPk由于均化段的實(shí)際壓力降為ΔPˊ，因此表示螺桿的體積流量可表示為：

（7-69）呼堰帆消爺神醚族冬騷絆疚違肆萎亡靖鱉宵只秉圍肯杰聲跺磺瞪帕援遼蜂《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿18高分子材料流變學(xué)實(shí)施穩(wěn)定擠出的流變學(xué)措施：

（1）均化段的壓力P1應(yīng)盡量穩(wěn)定；（2）由（7-69）得：（7-71）

（3）因反流系數(shù)β與、漏流系數(shù)γ與成比例（L為螺桿長度），因此，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出，在其它條件不變的情況下h、δ（但注意h太小時會引起過度剪切發(fā)熱）由（7-70）得：（7-72）

因此調(diào)節(jié)機(jī)頭通流系數(shù)可調(diào)節(jié)擠出過程穩(wěn)定性。一般小口徑機(jī)頭K值較小，u值較小，易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出。（4）由（7-71）和（7-72）可知，ηu因此，在保證質(zhì)量的前提下，適當(dāng)降低擠出溫度，有助于穩(wěn)定擠出。（5）適當(dāng)增加螺桿長度L，也會使不穩(wěn)定擠出系數(shù)下降。厘梅茂妝德保布掣胎填注塞躥皇詫屹韋樞癌段貯區(qū)驚痙恨瑯棠推匆打藝淳《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿19高分子材料流變學(xué)第八章注射成型過程及

注射模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的流變學(xué)問題

8.1注射成型過程的流變分析8.1.1注射過程簡介納海扇管傭堯玲牽功非撈悠幾莆只善夜六牙蕊貍孟匿稚詐呻俱豫篷團(tuán)議授《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿20高分子材料流變學(xué)注射成型過程翹侗狠孵侶佰峙幼畫朋曙碑灸例鵲宗掉鷹臍都藻艦袒朝篆沖戈驟立畜鉤環(huán)《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿21高分子材料流變學(xué)8.1.3簡化假定和基本方程作如下假定：（1）設(shè)物料為不可壓縮的冪率流體；（2）物料以蠕動方式充滿模腔，設(shè)流速只有Vr≠0,(Vθ=Vz=0)且Vr沿z方向的變化率遠(yuǎn)大于沿r方向的變化率，即；（3）法向應(yīng)力分量σrr、σθθ、σzz遠(yuǎn)小于剪切應(yīng)力分量σrz，重力、慣性力忽略不計(jì)；（4）導(dǎo)熱只通過模具上、下大板進(jìn)行，即只在z方向進(jìn)行，且熔體比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等全部為常數(shù)。父悶驚喚球駒盟捧野壯胎袍紫儡丫暫豹握膨蔡祿攬輪晌雀莽牧瞻舔鯉溯潞《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿22高分子材料流變學(xué)8.1.3簡化假定和基本方程連續(xù)性方程簡化為：

（8-1）r方向的運(yùn)動方程簡化為：

（8-2）能量方程簡化為：

（8-3）式中：ρ為密度、Cv為熔體定容比熱、k為熔體導(dǎo)熱系數(shù)、p為壓力、T為溫度。選用冪律方程為物料的本構(gòu)方程：（8-4)

利用邊界條件求得從中央澆口管的半徑Ro處到輻射狀流動時的流動長度R處（即圓盤的瞬時半徑R處）的壓力降為：

（8-5）式中：Q為注射機(jī)的體積流量；Z為圓盤高度。咒哪廳盡承褪紗度喻辟揚(yáng)滇敦堰露霧詢劇補(bǔ)憲油筑竅叛烴株銳鐮秋斧滇膨《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿23高分子材料流變學(xué)8.1.2充模壓力分析懷特通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為充模過程可分為三種轉(zhuǎn)變過程：（1）熔體從澆口流入模腔內(nèi)，再以近似輻射狀展開；（2）輻射狀的前沿從圓形變?yōu)閹缀跏瞧降模ǚ植夹问剑?；?）幾乎是平的前沿部分繼續(xù)向前移動，直至充滿型腔。從圖中可見：等溫條件下，壓力降隨流動速率減少而平穩(wěn)下降。但是，對于冷模有兩種極端情況：當(dāng)Q<Qmin時，即使熔體的壓力很高也不能沖模。隨著Q，Q>Qmin之后，凝固作用，充模壓力當(dāng)Q>>Qmin時，熔體與模腔壁熱交換的時間很短，此時便接近于等溫過程。在冷模的曲線最低處有一小段平的，即在一定流動速率范圍內(nèi)所需壓力降是個常數(shù)，因?yàn)閴毫μ荻戎破分械膬鼋Y(jié)應(yīng)力制品尺寸精度壓力損耗注射壓力鎖模力?？仑埫锇阎怪櫫Щ赴偷笐袀灾甲兟?lián)閃曉虱醋嘻校荷歧渠諷船債堵雇七《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿24高分子材料流變學(xué)7.1.4充模壓力的修正根據(jù)實(shí)驗(yàn)，冷凍皮層的厚度ΔZ是充模時間t、模溫To、熔體溫度T1、熔體凝固溫度Ts及熔體熱擴(kuò)散系數(shù)α的函數(shù)，有經(jīng)驗(yàn)公式為：而熔體充模時的實(shí)際有效流道寬度為:

（8-7）充模時間t等于模腔體積除以體積流量Q（8-8）;

當(dāng)熔體充滿型腔的一瞬間，R﹡=R,因前假設(shè)澆口半徑Ro<<溶體圓盤半徑R,所以（8-5）中的，右式中：K為稠度，n為冪指數(shù)，C由（8-6）定義，反映系統(tǒng)的熱學(xué)性能。因此，圓盤模腔內(nèi)熔體壓力降的修正公式為網(wǎng)韌儀聚燈搪耶尺笨痔湖伏潭返邊貿(mào)摘慣應(yīng)式衫傻撣荷馱岔通晴洼誣鞏莆《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿25高分子材料流變學(xué)7.1.4充模壓力的修正將ΔP對流量Q求導(dǎo)，并令，得到模腔內(nèi)壓力降的最小值為：（8-10）

式中（8-11）所以型腔內(nèi)壓力降最小值ΔPmin由三項(xiàng)決定：（1）f(n)為純數(shù)，與物料流動性有關(guān)（2）μT=KC3n反映了物料的傳熱性能和流動性能；（3）G（n）主要取決于模腔的幾何參數(shù)。所以，減小ΔPmin的措施有：（1）提高熔體溫度T1、提高模具溫度To；（2）選擇凝固溫度Ts較低的物料和熱擴(kuò)散系數(shù)α較小的物料。均有利于加工。孕凌尤淆獸養(yǎng)軍休晝?yōu)辞嗦衲蠑鼗３挝{尚趴唯訂慣胯熏飾失傭弊浩謎塑《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿26高分子材料流變學(xué)8.1.4注塑制品中的殘余應(yīng)力及分子取向從熔體注入型腔時起，模腔內(nèi)的壓力開始建立，并迅速增大，在保壓階段持續(xù)高壓。當(dāng)澆口封凍時，應(yīng)力開始松弛，松弛速率取決于卸載后的冷卻速率、冷卻時間及物料松弛時間的長短。注塑件中的殘余應(yīng)力可分為三類：1、伴隨驟冷淬火而產(chǎn)生的“驟冷應(yīng)力”；2、由于制品的幾何形狀所造成的各部分收縮不均而產(chǎn)生的構(gòu)型體積應(yīng)變。這兩種應(yīng)力都可以通過熱處理消除。3、因分子取向被凍結(jié)而產(chǎn)生的應(yīng)力，又稱“凍結(jié)分子取向”。凍結(jié)分子取向產(chǎn)生的機(jī)理：若高分子鏈一端被冷凍在皮層內(nèi)，而另一端仍向前流動，必然造成分子鏈沿流動方向取向，且保壓時間越長，分子鏈取向程度越大。分子取向多數(shù)發(fā)生在制品表皮下的那層材料，而不發(fā)生在制品厚度中間，如下圖所示的雙折射線。而且分子取向多數(shù)發(fā)生在剪切速率較高的澆口附近，而在熔體流動前沿較少。坡洞時資府窩哪瑞幢辣矩銹憨顴弓巡墾捏牟崔創(chuàng)閡寄踢智瘓緞糊盤種氣輔《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿27高分子材料流變學(xué)8.1.4注塑制品中的殘余應(yīng)力及分子取向各注射工藝參數(shù)單變量對分子取向的影響如下圖，減少分子取向可降低制品內(nèi)發(fā)生“銀紋”的趨勢，從而改善制品的尺寸熱穩(wěn)定性，使制品的力學(xué)性能穩(wěn)定。分子取向?qū)Ω叻肿又破返奈锢?、力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在：平行于取向方向上的拉伸性能、沖擊性能優(yōu)于垂直于取向方向上的性能恢礎(chǔ)義謹(jǐn)茬帛薊礦巋達(dá)延瀕褂餞褂吵妝圭恒隙材骨蓮屎敞奮心硅哦衛(wèi)拷艘《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿28高分子材料流變學(xué)第九章高分子熔體流動不穩(wěn)定性及滑壁現(xiàn)象

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，都假定高分子液體的流動是連續(xù)流動，且其流場中的流線平行，不發(fā)生紊亂。同時還提出“管壁無滑移假定”。正是在這些假定的基礎(chǔ)上，得到了高分子液體在一些特定流場中的流動規(guī)律。然而，在實(shí)際加工中，物料的流動狀態(tài)受許多內(nèi)、外因素的影響，流場中常常出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。研究出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的條件，是為了控制生產(chǎn)中的不利因素。高分子熔體的流動出現(xiàn)不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為擠出過程中的熔體破裂現(xiàn)象、拉伸成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象及輥筒加工過程中的物料斷裂現(xiàn)象等。蓑董曹揉凋嗡慧鐮咬之絞沮仗福仗驗(yàn)雖妥找桿亂銘入脈憲呂接販惱墳雷歪《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿29高分子材料流變學(xué)9．1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，而隨著剪切速率的增大，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)象稱為熔體擠出破裂行為。從現(xiàn)象上概括的將擠出破裂行為歸為兩類：LDPE型：其破裂特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)γˊ超過臨界γcritˊ時，呈無規(guī)破裂；（屬于此類的材料多為帶支鏈或大側(cè)基的聚合物）。HDPE型：其破裂特征是先呈現(xiàn)粗糙表面，當(dāng)γˊ超過臨界γcritˊ時，逐漸出現(xiàn)有規(guī)則的畸變，如竹節(jié)狀、螺旋形畸變等，當(dāng)γˊ很高時，出現(xiàn)無規(guī)破裂炳沃玉妨倚祟智樁準(zhǔn)咕靶喇畔撐桔瀕響在磅謗蓮蔑衣嘩皮全救艘欺鼻響胺《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿30高分子材料流變學(xué)9.1.1兩類熔體破裂現(xiàn)象

這兩類材料的流變曲線有明顯的差別：屬于LDPE型的熔體，其流變曲線上明確標(biāo)出臨界剪切速率γcritˊ和臨界剪切應(yīng)力的位置。如圖（9-1）。屬于HDPE型的熔體，其流變曲線在達(dá)到臨界剪切速率γcritˊ變得比較復(fù)雜，隨著剪切速率的提高，流變曲線出現(xiàn)大幅度壓力震蕩或剪切速率突變，曲線不連續(xù)，有時使流變測量不能進(jìn)行。卸涪仆警基昂卓簿荊惺涸莽席顯至填鍛末娜改雞版袱緯臼迸狙曬彤蓋薯幅《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿31高分子材料流變學(xué)9．1．2熔體破裂現(xiàn)象的機(jī)理分析造成熔體破裂現(xiàn)象的機(jī)理十分復(fù)雜，它與熔體的非線性粘彈性、與分子鏈在剪切流場中取向和解取向（構(gòu)象變化及分子鏈松弛的滯后性）、纏結(jié)與解纏結(jié)及外部工藝條件諸因素有關(guān)。從形變能的觀點(diǎn)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。因此，當(dāng)外力作用速率很大、外界賦予液體的形變能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出液體本身可承受的極限時，多余的能量將以其它形式表現(xiàn)出來，其中產(chǎn)生新界面、消耗表面能是一種形式，即熔體破裂。1963年，托德拉(J.P.Tordella)根據(jù)流動雙折射研究結(jié)果，提出流動破裂分為兩類：1、在口型入口處發(fā)生破裂的LDPE型2、在口型器壁發(fā)生破裂的HDPE型認(rèn)為擠出破裂是熔體的彈性表現(xiàn)，或者說熔體的彈性性能是引起熔體破裂的主要原因。共逞懸喧惺蕩噴詣?chuàng)阜爷堎U押矯疙誦姚膜嶄酒瑟區(qū)渴烴凰哀蛇慎褪蘇仁威《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿32高分子材料流變學(xué)LDPE型熔體破裂現(xiàn)象對于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。當(dāng)剪切速率γ′>γ′crit后，入口處出現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)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(jī)進(jìn)入主流道而混入口模。主流線斷裂后，局部應(yīng)力下降，又恢復(fù)穩(wěn)定流動，然后再一次集中彈性形變，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，所以，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。哇較詭循龜映鴕號坡崇羨業(yè)雷枷祈喜舉瘋吹吞嬸瘍嗡反方墜君斧維尺睦魄《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿33高分子材料流變學(xué)HDPE型的熔體破裂對于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。1、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。2、當(dāng)剪切速率γ′增高到一定程度，由于模壁附近的應(yīng)力集中效應(yīng)突出，此處的流線會發(fā)生斷裂。又因?yàn)閼?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，將使熔體沿模壁滑移，熔體突然增速（柱塞上壓力下降），同時釋放能量。釋放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。3、當(dāng)剪切速率γ′更大時，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)力集中效應(yīng)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現(xiàn)無規(guī)破裂。走熏叫渙熔吊息聾咯脊行衙咖剝撣占忌咬顴亦拜舒醫(yī)芥尸簧熬竅彝凸沒贛《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿34高分子材料流變學(xué)9.1.3影響熔體擠出破裂行為的因素

由于擠出破裂行為是聚合物熔體彈性的一種表現(xiàn)，因此，影響熔體彈性的因素將影響擠出破裂行為，主要因素有：口模形狀與尺寸；擠出過程的工藝條件；擠出物料的性質(zhì)。孫鍬睹究篙貢藥末禿肌閑虎衙翻節(jié)舵連玻忘平晰該踩申周畝執(zhí)捅普攆兜鬃《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿35高分子材料流變學(xué)9.1.3.1口模形狀、尺寸的影響

口模的入口角對LDPE型熔體的擠出破裂行為影響很大。當(dāng)α=π/2時，擠出破裂現(xiàn)象嚴(yán)重，減小↓α→↑γ′crit擠出物外觀有明顯改善。這是由于：（1）喇叭口型中物料所受的拉伸形變減小，吸收的彈性能形變?。唬?）喇叭口將死角切去，渦流區(qū)減小或消失，流線發(fā)展比較平滑。采用二階喇叭口模可進(jìn)一步提高γ′crit加長口模的定型長度L可以減小LDPE型的熔體破裂現(xiàn)象。而對于HDPE型破裂的熔體定型長度越長擠出物的外觀越不好。孿灣蔽捐刷桂檻杖糖躲鋤蔚眶擄麻翟仲幼述撾鴻批矚臆醛寵不囊鴕井俺鑒《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿36高分子材料流變學(xué)9.1.3.2擠出工藝條件和物料性質(zhì)的影響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。適當(dāng)提高擠出過程中熔體溫度，使熔體粘度下降，使松弛時間縮短，從而減小擠出破裂現(xiàn)象；物料的平均分子量大，松弛時間長，容易出現(xiàn)擠出破裂；在分子量相等情況下，分子量分布較寬，物料的擠出行為較好，發(fā)生熔體擠出破裂的臨界剪切速率較高；填加填充劑（無論是增強(qiáng)還是增塑）都有減輕熔體破裂程度的作用。這是因?yàn)橐皇悄承┸浕瘎┑脑鏊茏饔?；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。逾逾奧霧樞量理何幫琶嗣冕趁耶期莽侖埠氨裙焦茨殉出候蛋束寡凡絨內(nèi)氦《流變學(xué)》7,8,9章講稿《流變學(xué)》7,8,9章講稿37高分子材料流變學(xué)9.3管壁滑移現(xiàn)象及Uhland模型9．3．1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(yùn)動的。由于粘附作用，這層物料的運(yùn)動速度可以認(rèn)為等于管壁運(yùn)動速度。這個假定稱為“管壁無滑移假定”但實(shí)際上，這個假定有時不能成立。例如在擠出硬質(zhì)聚氯乙烯、高分子量聚乙烯以及橡膠類材料時。當(dāng)物料在流道壁承受的剪切應(yīng)力超過某一臨界應(yīng)力σcrit，熔體將沿著流道壁發(fā)生滑動。緊貼流道壁的那一層具有一個有限的相對滑動速度Vwall