高分子材料流變學(xué)5專(zhuān)業(yè)課教材

高分子材料流變學(xué)主講：陳璞微博/chenpu28第七章擠出成型過(guò)程的流變分析一、擠出過(guò)程簡(jiǎn)述二、物料在螺槽中的流動(dòng)三、機(jī)頭口型中物料的流動(dòng)四、理論的修正五、實(shí)行穩(wěn)定擠出過(guò)程的一些流變學(xué)考慮六、擠出成型過(guò)程中的熔體破裂行為七、彈性記憶效應(yīng)主要用于熱塑性塑料的生產(chǎn)連續(xù)型材擠出成型的特點(diǎn)：1．生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)。2．生產(chǎn)效率高。3．應(yīng)用范圍廣，綜合生產(chǎn)能力強(qiáng)。4．投資少，見(jiàn)效快。一、擠出過(guò)程簡(jiǎn)述（一）螺桿擠出機(jī)及擠出原理擠出成型工藝過(guò)程的三個(gè)階段1.塑化2.擠出成型3.冷卻定型擠壓系統(tǒng)擠出機(jī)的組成：主機(jī)

料筒螺桿傳動(dòng)系統(tǒng)加熱冷卻系統(tǒng)

一臺(tái)擠出設(shè)備一般由主機(jī)（擠出機(jī)）、輔機(jī)和控制系統(tǒng)組成，統(tǒng)稱(chēng)為擠出機(jī)組。

輔機(jī)

機(jī)頭定型裝置冷卻裝置牽引裝置切割裝置卷取裝置控制系統(tǒng)電器儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)（二）擠出成型的主要工藝參數(shù)(1)溫度加料段：不宜過(guò)高機(jī)頭：在Td以下物料在料筒內(nèi)經(jīng)歷了三個(gè)階段，關(guān)鍵是控制好各段的溫度。壓縮段計(jì)量段可取高些口模：比機(jī)頭稍低(2)壓力必須根據(jù)塑料品種和塑件類(lèi)型確定合理的數(shù)值，盡可能避免出現(xiàn)壓力的波動(dòng)。增加機(jī)頭壓力可提高熔體的混合均勻性和穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的致密度，但機(jī)頭壓力過(guò)大將影響產(chǎn)量。合理地控制螺桿的轉(zhuǎn)速和溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度，可減少壓力的波動(dòng)。(3)擠出速率(4)牽引速度單位時(shí)間內(nèi)擠出機(jī)口模擠出的塑料質(zhì)量（kg/h）或長(zhǎng)度（m/min）。

擠出速率的大小表征著擠出機(jī)生產(chǎn)率的高低。從口模擠出的制品在牽引力作用下會(huì)發(fā)生拉伸取向。拉伸強(qiáng)度越大，冷卻后長(zhǎng)度收縮也越大。通常，牽引速度可與擠出速度相當(dāng)。牽引速度與擠出速度的比值稱(chēng)為牽引比，其數(shù)值必須等于或大于1。（三）螺桿的區(qū)域劃分（1）加料段（固體輸送段）

輸送物料（2）壓縮段（塑化段）

壓實(shí)、熔融、塑化、排氣（3）

擠出段（計(jì)量段、均化段）

進(jìn)一步壓緊、塑化、攪拌均勻，并以一定的流量和壓力從機(jī)頭口形流道均勻擠出。（四）螺桿的幾何尺寸螺桿外徑D、螺棱法向?qū)挾萫、螺桿與料筒的間隙δ、螺紋導(dǎo)程t(螺距f)、螺槽深度h、螺槽的法向?qū)挾萕(r)、螺紋升角θ(r)§7.1思考題1．試述螺桿擠出機(jī)的工作原理。3．?dāng)D出成型的主要工藝參數(shù)有哪些?2．通常擠出成型工藝過(guò)程包括哪三個(gè)階段？4．根據(jù)物料在擠出過(guò)程中的變化，可將螺桿工作部分劃分為哪些區(qū)域？這些區(qū)域各有什么作用？二、物料在螺槽中的流動(dòng)設(shè)想螺桿斷面為矩形細(xì)紋，等寬等深。假定h＜＜W，且h＜＜2R，于是物料在螺槽內(nèi)的流動(dòng)可近似視為在兩平行板間的流動(dòng)。將機(jī)筒與螺桿側(cè)剖并在平面上展開(kāi)，取直角坐標(biāo)如圖所示。（一）簡(jiǎn)化假定和運(yùn)動(dòng)方程(1)不可壓縮的牛頓型流體(2)連續(xù)、等溫的穩(wěn)定層流(3)壓力梯度為定值，也為定值(4)無(wú)滑移，忽略重力和慣性力由此，可得到連續(xù)性方程為：熔料在螺槽中的流動(dòng)由以下4種流動(dòng)組成：1.正流（拖曳流）Q拖曳流這是熔料沿螺槽向機(jī)頭方向的流動(dòng)，它是料筒表面作用到熔體上的力而產(chǎn)生的流動(dòng)。其流率用Q拖曳流表示。2.壓力流Q壓力流也叫逆流，其方向與正流相反，它是由機(jī)頭、分流板、濾網(wǎng)等對(duì)熔體的反壓引起的流動(dòng)。其流率用Q壓力流表示。

將正流和逆流相迭加，就得到熔體在螺槽中的凈流動(dòng)，稱(chēng)為凈流

。3.橫流Q橫流也叫環(huán)流，這是一種與螺紋方向垂直的、在螺槽內(nèi)的環(huán)形流動(dòng)。這種流動(dòng)對(duì)總的擠出量影響不大，故一般不計(jì)，但對(duì)熔體的傳熱、混合、塑化影響較大，也消耗一定能量，其流率用Q橫流表示。4）漏流Q漏流它是由機(jī)頭、分流板、濾網(wǎng)等對(duì)熔體的反壓引起的流動(dòng)，是一種通過(guò)螺棱與料筒形成的間隙δ0沿螺桿軸線方向向料斗方向的流動(dòng)。δ0在一般情況下很小，其流率Q漏流在數(shù)量上比Q正流小很多。正流、壓力流、漏流在螺槽深度方向的速度分布，橫流的流動(dòng)方向，見(jiàn)下圖。VzQdVz

-Qp橫流⊕QL（二）螺槽內(nèi)物料的速度分布及體積流量根據(jù)速度分布可求得螺槽內(nèi)物料的體積流量為：這種流動(dòng)與螺槽側(cè)壁的方向垂直，除引起物料在螺槽內(nèi)發(fā)生環(huán)流外，主要是引起漏流。x方向的流動(dòng)：漏流是由于物料在一定壓力作用下，沿x方向流過(guò)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(dòng)可視為物料通過(guò)一個(gè)縫模的流動(dòng)，縫模截面垂直于x方向，縫高為δ，縫長(zhǎng)為2πR/cosθ。將三部分體積流量加在一起，得到在螺桿均化計(jì)量段中物料總體積流量：其中拖曳流量為正流量，主要取決于轉(zhuǎn)速N；壓力流與漏流為負(fù)流量，其大小取決于壓差Δp和物料粘度η0。螺桿的幾何參數(shù)W、h、R、θ、δ均起著重要作用。將式(7-58)重新改寫(xiě)，可得螺桿特性線為：對(duì)于給定螺桿，α、β和γ均為常數(shù)，當(dāng)擠出穩(wěn)定后，可以認(rèn)為溫度、轉(zhuǎn)速都不變，η0也不變，因此，Q和Δp成線性方程。QPABN1N2N3N4N5螺桿特性線圖中的AB線稱(chēng)為螺桿特性線。若螺桿不變，改變螺桿的轉(zhuǎn)速，則可得到了一組互相平行的螺桿特性線族。1．物料在機(jī)頭中的流動(dòng)及流速分布在螺槽中的流動(dòng)：呈螺旋狀前進(jìn)進(jìn)入機(jī)頭流道時(shí)：由螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)流動(dòng)速度分布：呈拋物線狀三、機(jī)頭口型中物料的流動(dòng)牛頓型流體通過(guò)任意形狀的機(jī)頭，流動(dòng)速度為2．體積流量流通系數(shù)K流通系數(shù)K值越大表示流通阻力越小。可以看出，流量Q正比于壓力降而反比于物料的粘度。根據(jù)式（7－60）作Q－Δp圖，可以得到一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，其斜率為K/η0k。不同的直線代表著不同的口模，這些直線稱(chēng)之為口模特性線。穩(wěn)定擠出狀態(tài)，物料在螺桿部分的流動(dòng)狀態(tài)必須與在機(jī)頭口型區(qū)的流動(dòng)狀態(tài)相匹配。即要求通過(guò)螺桿的流量一定要與通過(guò)機(jī)頭口型區(qū)的流量相等，物料在螺桿的壓力降也要與在機(jī)頭口型區(qū)的壓力降相等，即3．?dāng)D出機(jī)工作點(diǎn)Q0△PK1N1N2N3螺桿特性曲線K2K3機(jī)頭特性曲線兩組曲線的交點(diǎn)為螺桿擠出機(jī)正常擠出的穩(wěn)定工作點(diǎn)，可從下列方程組求得：不難求出，這樣的工作點(diǎn)滿(mǎn)足：Q0△P△Pc△PmaxQcQmaxCDAB擠出機(jī)機(jī)頭壓力值應(yīng)為：螺桿特性線與機(jī)頭特性線的交點(diǎn)Δpc擠出機(jī)工作點(diǎn)C:螺桿特性線與機(jī)頭特性線的交點(diǎn)§7.3思考題1．物料在機(jī)頭中的流動(dòng)與在螺槽中的流動(dòng)有何不同?物料在機(jī)頭的流動(dòng)速度與什么因素有關(guān)？2．何謂螺桿特性線、機(jī)頭特性線、擠出機(jī)工作點(diǎn)？

上述討論是在作了若干假定的基礎(chǔ)上得到的，與實(shí)際擠出成型過(guò)程由一定出入。加工實(shí)際的非牛頓流體的工作特性曲線要復(fù)雜得多。四、理論的修正在實(shí)際分析擠出成型過(guò)程的流變狀況時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)簡(jiǎn)化理論進(jìn)行修正。主要的修正方法有兩種：一是基于螺桿尺寸的非理想化所作的修正，一是基于物料的非牛頓型流動(dòng)性作的修正。前一種修正采用系數(shù)修正法，修正后的流量公式為：第二種修正主要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。最多的是采用如下冪律方程：采用以上冪律方程來(lái)描寫(xiě)材料的流動(dòng)特性，而保持運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程不變。但工程上更多的是采用圖算法。在擠出成型電線電纜、型材、輪胎、膠管等制品過(guò)程中，對(duì)制品的形狀、尺寸要求較嚴(yán)格。擠出流量的波動(dòng)ΔQ要求控制在一定的范圍內(nèi)，即要求擠出成型過(guò)程應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定。五、實(shí)行穩(wěn)定擠出過(guò)程的一些流變學(xué)考慮為描述擠出成型過(guò)程的穩(wěn)定性，定義一個(gè)不穩(wěn)定擠出系數(shù)：將螺桿擠出機(jī)內(nèi)的物料壓力分布簡(jiǎn)化，均化段的實(shí)際壓力降變?yōu)椋河捎诰蔚膶?shí)際壓力降變?yōu)棣′，因此螺桿部分體積流量改寫(xiě)為：通過(guò)機(jī)頭口型的體積流量可以改寫(xiě)為：實(shí)行穩(wěn)定擠出的一些流變學(xué)措施1．均化段入口處的壓力p1應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定，加料口供料速度必須均勻；2．適當(dāng)減少螺槽深度h和機(jī)筒與螺桿突棱的間隙δ；3．調(diào)節(jié)機(jī)頭系數(shù)K，小口徑機(jī)頭K值較小，u值較小，易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擠出；5．適當(dāng)增加螺桿長(zhǎng)度L，也會(huì)使不穩(wěn)定擠出系數(shù)下降。4．物料粘度越大，u越小，因此在保證質(zhì)量的前提下，適當(dāng)降低擠出溫度，有利于穩(wěn)定擠出；§7.5思考題1．?dāng)D出成型過(guò)程的穩(wěn)定性與哪些因素有關(guān)？實(shí)行穩(wěn)定擠出應(yīng)采取哪些措施？在實(shí)際的高分子材料成型加工過(guò)程及流變學(xué)測(cè)量中，物料流動(dòng)狀態(tài)受到諸多內(nèi)部和外部因素影響，流場(chǎng)中常常出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)。許多情況下，流場(chǎng)的邊界條件存在一個(gè)臨界值。一旦超越，就會(huì)發(fā)生從層流到湍流，從平整到波動(dòng)，從流線穩(wěn)定到流線紊亂，從管壁無(wú)滑移到有滑移，破壞了事先假定的穩(wěn)定流動(dòng)條件。六、擠出成型過(guò)程中的熔體破裂行為高分子熔體的不穩(wěn)定流動(dòng)主要表現(xiàn)為擠出成型過(guò)程中的熔體破裂現(xiàn)象等。1．現(xiàn)象當(dāng)擠出速度超過(guò)某一極限值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)，擠出物將變得不光滑、粗細(xì)不均、沒(méi)有光澤、表面出現(xiàn)粗糙的鯊魚(yú)皮狀。如果繼續(xù)增大切應(yīng)力和切變速率，熔體將呈現(xiàn)波浪形、竹節(jié)形或周期螺旋形，甚至斷裂成不規(guī)則的碎片或小圓柱塊，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熔體破裂。（一）現(xiàn)象與類(lèi)型人們通過(guò)各種聚合物的大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(2)各類(lèi)聚合物都有自己的破裂特征。增大至一臨界值就產(chǎn)生破裂。這個(gè)開(kāi)始產(chǎn)生破裂的稱(chēng)為臨界剪切應(yīng)力，以

表示，相應(yīng)的稱(chēng)為臨界剪切速率，以表示。2．類(lèi)型兩類(lèi)大低密度聚乙烯型（LDPE）高密度聚乙烯型（HDPE）LDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，當(dāng)超過(guò)臨界剪切速率發(fā)生熔體破裂，呈現(xiàn)無(wú)規(guī)破裂狀。屬于此類(lèi)的材料多為帶支鏈或大側(cè)基的聚合物。HDPE型：破裂特征是先呈粗糙表面，隨著剪切速率提高逐步出現(xiàn)有規(guī)則的畸變，剪切速率很高時(shí)才出現(xiàn)無(wú)規(guī)破裂。屬于此類(lèi)的材料多為線形分子聚合物。從流變曲線看，當(dāng)發(fā)生熔體破裂時(shí)，兩類(lèi)材料的流動(dòng)曲線有明顯的差別。（二）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(chǎng)中的取向和解取向、纏結(jié)和解纏結(jié)及外部工藝條件諸因素有關(guān)。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(shí)，多余的能量將以其他形式表現(xiàn)出來(lái)，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。對(duì)于LDPE型熔體應(yīng)力主要集中在口模入口區(qū)，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)剪切速率后，入口區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)烈的拉伸流，使主流道內(nèi)的流線斷裂，使死角區(qū)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，應(yīng)力局部下降，又恢復(fù)穩(wěn)定流動(dòng)，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，由此造成口模出口處擠出物的無(wú)規(guī)畸變。對(duì)于HDPE型熔體流動(dòng)時(shí)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(shí)，熔體流過(guò)口模壁無(wú)滑移，擠出正常。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，此處的流線會(huì)發(fā)生斷裂。應(yīng)力集中使熔體貯能大大增加，造成熔體沿模壁滑移，熔體突然增速，同時(shí)釋放出能量。釋能后的熔體再次與模壁粘著，再集中能量，再發(fā)生滑移。周而復(fù)始，造成聚合物熔體在模壁附近“時(shí)滑時(shí)粘”，使擠出物呈現(xiàn)出竹節(jié)狀等有規(guī)畸變。當(dāng)剪切速率再增大時(shí)，熔體在模壁附近會(huì)出現(xiàn)“全滑動(dòng)”，這時(shí)反而能得到表面光滑的擠出物，即所謂的第二光滑擠出區(qū)。此時(shí)應(yīng)力集中效應(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(shí)的擠出物必然呈無(wú)規(guī)破裂狀。（三）影響熔體擠出破裂行為的因素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。這些因素可分為三類(lèi)：這些因素可分為三類(lèi)：一是口模的形狀和尺寸；二是擠出成型過(guò)程的工藝條件；三是擠出物料的性質(zhì)。1．口模形狀、尺寸的影響(1)入口角α口模入口角對(duì)LDPE型熔體的擠出破裂行為影響很大。當(dāng)入口區(qū)為平口型時(shí)，擠出破裂現(xiàn)象嚴(yán)重；而將入口角減小變?yōu)槔刃蜁r(shí)，擠出物外觀有明顯改善；采用二階喇叭口型，可使臨界剪切速率進(jìn)一步提高。(2)口模的定型長(zhǎng)度LLDPE型，L越長(zhǎng)，熔體破裂程度就越輕。HDPE型，L越長(zhǎng)，擠出物外觀反而不好。2．?dāng)D出工藝條件和物料性質(zhì)的影響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(lái)不及松弛而影響流動(dòng)的穩(wěn)定性，熔體破裂現(xiàn)象為其中一種表現(xiàn)。若工藝過(guò)程的特征時(shí)間小于材料本身的特征松弛時(shí)間，熔體破裂現(xiàn)象容易發(fā)生；若工藝過(guò)程的特征時(shí)間加長(zhǎng)，或使材料的特征松弛時(shí)間變短，都可能使熔體破裂現(xiàn)象減輕。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(shí)間較長(zhǎng)，因此熔體內(nèi)的壓力波動(dòng)幅度較小。熔體溫度升高，粘度下降，會(huì)使松弛時(shí)間縮短，從而使擠出物外觀得以改善。因此升高料溫是解決熔體破裂的快速補(bǔ)救辦法。工廠中常用提高機(jī)頭口型溫度作為對(duì)付熔體破裂的手段之一，但應(yīng)以不引起降解與交聯(lián)為前提。(1)擠出速度（剪切速率）(2)溫度(3)平均分子量(4)分子量分布在平均分子量相等的條件下，分子量分布較寬的物料擠出行為較好，發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率較高。平均分子量大的物料，松弛時(shí)間較長(zhǎng)，容易發(fā)生熔體破裂。(5)填料無(wú)論是添加填充補(bǔ)強(qiáng)劑還是軟化增塑劑，都有減輕熔體破裂程度的作用。（四）避免或減輕熔體破裂的措施(1)適當(dāng)降低分子量，加寬分子量分布；(2)適當(dāng)升高擠出溫度；(3)稍微降低擠出速度，并使速度分布均勻；(4)用喇叭形的口型；(5)在口模上加一擋板，破壞旋轉(zhuǎn)流動(dòng)；(6)加入填充補(bǔ)強(qiáng)劑，可降低彈性，減輕破裂；(7)擠出后適當(dāng)牽伸，可減輕或避免破裂。§7.6思考題1．?dāng)D出破裂是如何產(chǎn)生的？擠出破裂受哪些因素影響？一．現(xiàn)象和本質(zhì)及表示方法七、彈性記憶效應(yīng)1．現(xiàn)象和本質(zhì)這種擠出物的尺寸和斷面形狀與口型不同的現(xiàn)象，膨脹——收縮現(xiàn)象，稱(chēng)為彈性記憶效應(yīng)，或稱(chēng)離模膨脹，又稱(chēng)巴拉斯效應(yīng)。2．原因一是入口效應(yīng)。二是膠料在口型中的剪切流動(dòng)也伴隨有彈性變形，從而產(chǎn)生膨脹收縮現(xiàn)象。在恒切變速率下，物料的彈性回復(fù)行為取決于它在口型中的停留時(shí)間。