1、第三章第三章 聚合物聚合物流體的流變性流體的流變性 v聚合物加工如化纖紡絲、橡膠加工、塑料成型都離不開聚合物的流動與形變。v聚合物流變學(xué)( rheology of polymers )是研究聚合物流動與形變的科學(xué)。選擇加工工藝；確定操作條件；設(shè)備優(yōu)化設(shè)計；獲得性能良好的制品意義v典型製程之典型製程之流場強(qiáng)度流場強(qiáng)度範(fàn)圍範(fàn)圍v加工問題的實(shí)例加工問題的實(shí)例- ExtrusionFIG Extrudate of a brached silicone gum at increasing pressureSharkskinMelt fracture-1 () sHigh-speed coatingInj

2、ection moldingLubricationSedimentationRollingPipe flowExtrusionSprayingChewing710510310110110310510v一非牛頓流體的表征一非牛頓流體的表征v1聚合物流體的流動行為聚合物流體的流動行為 牛頓流體牛頓流體v剪切應(yīng)力12與剪切速率 之間呈線性關(guān)系，其粘度與 無關(guān)，服從牛頓定律：12v 12 與 非線性，粘度隨 而變n12K v式中：K為粘度系數(shù)，v n為非牛頓指數(shù)v非牛頓流體的表征：非牛頓流體表征流體偏離牛頓型流動的程度v當(dāng)n=1時，牛頓流體，牛頓粘度不變 ； v要克服某一臨界剪切應(yīng)力才能使其產(chǎn)生牛頓流

3、動v當(dāng)n1時，a隨 的而a隨 而 a12 / =K n-1 v當(dāng)n0；v切力增稠: (P)計算。相當(dāng)于孔道增加了一段虛構(gòu)長度。v彈性的本質(zhì)：彈性的本質(zhì)：v-熵彈性。v聚合物流體的彈性表征：聚合物流體的彈性表征：第一法向應(yīng)力差函數(shù)；彈性模量（剪切彈性模量G或拉伸彈性模量E）松弛時間（/G）；動態(tài)粘度函數(shù)();動態(tài)儲能模量G()；脹大比。二影響聚合物流體彈性的因素二影響聚合物流體彈性的因素v（一）分子參數(shù)對聚合物流體彈性的影響（一）分子參數(shù)對聚合物流體彈性的影響v法向應(yīng)力和柔量增大，彈性大2012211,T,Mw1zzeMMMRT52Jv平均相對分子質(zhì)量增加，彈性增大；v相對分子質(zhì)量分布的加寬，彈

4、性增大；v長鏈分支增加，彈性增大。圖7-47 280不同特性粘度聚酯的入口壓力降1-=1.04 2-=0.66 3-=0.56圖7-48 聚酯的特性粘度與擠出脹大比的關(guān)系1L/D=1 2L/D=5 3L/D=7熔體溫度290 噴絲板直徑1.2mm圖7-50 280時不同相對分子質(zhì)量分布的聚酯的入口壓力降1-分布寬 2-分布窄v（二）加工條件對聚合物流體彈性的影響（二）加工條件對聚合物流體彈性的影響v1溫度的影響溫度的影響v溫度升高，彈性表現(xiàn)減小，如圖。 圖7-51 聚酯熔體的擠出脹大比與熔體溫度的關(guān)系1=0.86 2=0.74 3=0.64v2.濃度的影響濃度的影響v濃度的升高，法向應(yīng)力增大,

5、彈性顯著。v3剪切速率的影響剪切速率的影響v剪切速率越大，流體入口壓力降、法向壓力差及脹大比越大，彈性能貯存越高，彈性效應(yīng)越顯著。如圖 。圖7-53 聚合物熔體在200時的第一法向應(yīng)力差與剪切速率的關(guān)系1-高密度聚乙烯 2-低密度聚乙烯 3-聚苯乙烯圖7-55 聚丙烯熔體的擠出脹大與剪切速率的依賴關(guān)系。（試樣相對分子質(zhì)量29.3萬 熔體溫度190）曲線旁的數(shù)字為毛細(xì)孔的長徑比v4流動的幾何條件的影響流動的幾何條件的影響v倒角60-120o。v噴絲孔直徑增大，擠出脹大比明顯減小，彈性效應(yīng)減弱。如圖7-57。圖7-57 噴絲孔直徑與擠出脹大比的關(guān)系1=0.86 2=0.74 3=0.64v長徑比大

6、，有利于松弛過程的完成，彈性較小，如圖。圖7-58 長徑比對聚酯熔體的擠出脹大比的影響1=0.86 2=0.74 3=0.64（三）混合對彈性的影響（三）混合對彈性的影響v填料濃度增加，彈性降低。臨界剪切應(yīng)力上升。v碳黑等填充補(bǔ)強(qiáng)v降低出口脹大比和擠出物的畸變。圖7-59 碳酸鈣填充聚丙烯的法向應(yīng)力差隨剪切應(yīng)力變化1CaCO3/PP=0/100 2CaCO3/PP=10/90 3CaCO3/PP=20/80 4CaCO3/PP=40/60v定量描述：v視聚合物流體為Maxwell流體：2101)(1)31(exptRLnNNvPP比PET的非牛頓性強(qiáng)，彈性顯著，值和 值大，總法向應(yīng)力差N1大。

7、v適當(dāng)提高紡絲溫度；v控制適宜的相對分子質(zhì)量；v適當(dāng)加大孔口直徑（0.4mm)；v增大噴絲孔長徑比（L/值大于2）；v降低剪切速率；v -減小細(xì)流的脹大比，改善PP的可紡性。 )(1本課習(xí)題v1聚合物流體有哪些彈性表現(xiàn)？其本質(zhì)是什么？如何表征？v2分析影響聚合物彈性的因素，并說明提高擠出量可能遇到的問題，如何克服？ 第三章第三章 聚合物流體聚合物流體的流變性的流變性第四節(jié)第四節(jié) 聚合物流體在管聚合物流體在管道中的流動道中的流動聚合物流體在管道中的流動參數(shù)聚合物流體在管道中的流動參數(shù)v紡絲過程中，高聚物流體基本為兩種流場：紡絲過程中，高聚物流體基本為兩種流場：v 出噴絲孔前出噴絲孔前: v 剪切

8、流動（壓力作用下的壓差流動）剪切流動（壓力作用下的壓差流動）v 出噴絲孔后出噴絲孔后: v 單軸拉伸流動單軸拉伸流動v纖維成型與噴絲孔長度纖維成型與噴絲孔長度L、截面形狀有密切的關(guān)系、截面形狀有密切的關(guān)系v高聚物通過噴絲孔有明顯的流場變化高聚物通過噴絲孔有明顯的流場變化 進(jìn)毛細(xì)孔前，有一空間收斂的入口區(qū)進(jìn)毛細(xì)孔前，有一空間收斂的入口區(qū) 出毛細(xì)孔后，進(jìn)入大氣或凝固浴，出毛細(xì)孔后，進(jìn)入大氣或凝固浴，流體成為流體成為無剛性界面束縛的液流無剛性界面束縛的液流流場變化為：流場變化為： 收斂流場收斂流場 + 管道流動管道流動 + 向拉伸流動過渡的流場向拉伸流動過渡的流場（入口區(qū)）（入口區(qū)） （毛細(xì)孔中）（

9、毛細(xì)孔中） （出口區(qū)）（出口區(qū)）v高聚物為粘彈體，其黏度對形變速率有依賴性高聚物為粘彈體，其黏度對形變速率有依賴性v當(dāng)當(dāng)L/D20時，在噴絲孔中才能形成穩(wěn)定的流場。時，在噴絲孔中才能形成穩(wěn)定的流場。但實(shí)際中，但實(shí)際中，L/D只能做到只能做到2，故很難穩(wěn)定。，故很難穩(wěn)定。 v v (7-49) v式中：L為毛細(xì)管的長度；v P為毛細(xì)管壓力降。LPrr2)(122122)(rPrLr1孔道中的剪切應(yīng)力孔道中的剪切應(yīng)力12v在管道中心： (12)r=0=0；v在管壁處（rR）：(12)w 最大，即：v *v由于入口效應(yīng)和粘彈體流動中彈性能儲藏消耗了額外的壓力，因此P實(shí)測P計算，vP進(jìn)行進(jìn)行Bagle

10、y修正修正 。 LPRRw2)()(12122、孔道中的流動線速度、孔道中的流動線速度V(r) 切力變稀流體切力變稀流體n1 流體速度分布接近柱塞形流體速度分布接近柱塞形 n值越小，管中心處的速度分布越值越小，管中心處的速度分布越平坦平坦，越接，越接近近柱塞形柱塞形。脹流形流體脹流形流體 n1，m1 流體速度分布變得陡峭流體速度分布變得陡峭 n越大，越接近錐形越大，越接近錐形3、平均流出體積速度、平均流出體積速度Q （體積流量）（體積流量） v單位時間內(nèi)通過管道的流出體積單位時間內(nèi)通過管道的流出體積 v(r)對管道的截面積積分可求得對管道的截面積積分可求得v紡絲流體由計量泵打出紡絲流體由計量泵打出 一轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)=？cc(cm3) 每個泵一個值每個泵一個值 泵泵 rpm (round/min) 可觀測可觀測4、管道壁上的剪切速率、管道壁上的剪切速率 v對于牛頓流體，則：v 34413RQnnw*34)(RQwN*噴絲板孔設(shè)計PET？PE？ 二、不穩(wěn)定流動與熔體破裂二、不穩(wěn)定流動與熔體破裂v“熔體破裂熔體破裂”：發(fā)生在臨界剪切速率以上的不穩(wěn)定流動,宏觀表現(xiàn)為擠出物表面變得粗糙,失去光澤,粗細(xì)不均和出現(xiàn)扭曲,甚至破壞。.v出現(xiàn)“熔體破裂”時的剪切應(yīng)力（速率）為臨界剪切應(yīng)力（速率）。