聚合物液体在管和槽中的流动

1、聚合物液体在管和槽中的流动聚合物液体在管和槽中的流动 聚合物可以采用各种各样的加工方式，如：聚合物可以采用各种各样的加工方式，如： 注射、挤出、吹塑、模压或压延注射、挤出、吹塑、模压或压延等。等。 尽管加工与成型设备种类繁多，结构复杂，尽管加工与成型设备种类繁多，结构复杂， 但这些设备的流道，口模或模具的形状仍是由一但这些设备的流道，口模或模具的形状仍是由一 些截面形状简单些截面形状简单(如如圆形、环形、狭缝、矩形、梯圆形、环形、狭缝、矩形、梯 形及椭圆形形及椭圆形等等)的管道所构成。的管道所构成。 圆形与狭缝形管道圆形与狭缝形管道 聚合物流动方式的分类聚合物流动方式的分类 1. 按外力作用方

2、式分类按外力作用方式分类 压力流动压力流动聚合物液体在圆形管道中因受压聚合物液体在圆形管道中因受压 力作用而产生的流动。力作用而产生的流动。特点：特点：只受剪切力，粘度高，只受剪切力，粘度高， 稳定流动，只有压力降稳定流动，只有压力降。 收敛流动收敛流动聚合物在截面尺寸逐渐变小的锥聚合物在截面尺寸逐渐变小的锥 形管道中的流动。形管道中的流动。特点：特点：剪切力和拉伸力作用。剪切力和拉伸力作用。 拖曳流动拖曳流动如果液体流动的管道或口模的一如果液体流动的管道或口模的一 部分能以一定速度和规律进行运动，而聚合物随管部分能以一定速度和规律进行运动，而聚合物随管 道和口模的运动部分而运动。道和口模的运

3、动部分而运动。特点：特点：压力降及流速压力降及流速 分布受运动部分的影响。分布受运动部分的影响。 2. 按流动方向分类按流动方向分类 一维流动一维流动速度只在一个方向上变化，速度只在一个方向上变化， 即垂直于流动的方向。如圆管、宽平行板狭缝即垂直于流动的方向。如圆管、宽平行板狭缝 口模、间隙小的环形口模。口模、间隙小的环形口模。 二维流动二维流动管道断面上各点的流动速度管道断面上各点的流动速度 均垂直于流动的方向。如矩形口模、椭圆形口均垂直于流动的方向。如矩形口模、椭圆形口 模。模。 三维流动三维流动在锥形或收缩管道中流动时，在锥形或收缩管道中流动时， 速度既有沿垂直流动方向的运动，也有沿流动

4、速度既有沿垂直流动方向的运动，也有沿流动 方向的流动。如收敛流动。方向的流动。如收敛流动。 第一节第一节 在简单几何形状管道在简单几何形状管道 内聚合物液体的流动内聚合物液体的流动 聚合物液体的流变行为很复杂，所受的影响聚合物液体的流变行为很复杂，所受的影响 因素很多：因素很多： 聚合物体积可压缩聚合物体积可压缩密度将发生变化（密度将发生变化（Vf 的存在）；的存在）； 在在高剪切作用高剪切作用下，液体在下，液体在管壁处会产生滑管壁处会产生滑 动动粘度变化；粘度变化； 流道各处温度不同流道各处温度不同（粘度、密度、流速、体（粘度、密度、流速、体 积流率等变化）。积流率等变化）。 但大多数聚合物

5、的粘度很高，雷诺但大多数聚合物的粘度很高，雷诺 准数不大，为简化分析计算过程，进行准数不大，为简化分析计算过程，进行 四个假设四个假设： （1）液体不可压缩液体不可压缩 （2）等温流动等温流动 （3）管壁处无滑移管壁处无滑移 （4）粘度不随时间变化粘度不随时间变化 实践证明假设可行，影响不大。实践证明假设可行，影响不大。 一、聚合物液体在圆管中的流动一、聚合物液体在圆管中的流动 具有均匀具有均匀圆形截面圆形截面且沿管轴方向半且沿管轴方向半 径均保持恒定的简单圆形管道是很多加径均保持恒定的简单圆形管道是很多加 工和成型设备中工和成型设备中最常用最常用的通道形式。的通道形式。 如注射设备的如注射设

6、备的喷嘴、浇口或流道，喷嘴、浇口或流道，挤挤 出机出机机头通道或口模机头通道或口模以及纤维纺丝的以及纤维纺丝的喷喷 丝板孔道丝板孔道等大多采用圆形截面。等大多采用圆形截面。 在简单圆管中液体通常在压力作用下在简单圆管中液体通常在压力作用下 只产生只产生一维剪切一维剪切流动。流动。 （一）牛顿液体在简单圆管中的流动（一）牛顿液体在简单圆管中的流动 液柱单元受力分析：液柱单元受力分析： A向向B流动，有压力降流动，有压力降 F1：自：自A向向B流动的推力流动的推力 F2：粘滞作用阻力；：粘滞作用阻力； F3：外侧剪切流动阻力：外侧剪切流动阻力 稳态流动时稳态流动时 即：即： 整理得：整理得： 管中

7、心处管中心处r=0时，时，=0 管壁处管壁处r=R时，时， 即即 说明：说明：剪应力在液体中的分布与半径剪应力在液体中的分布与半径r成正比成正比。 0 321 FFFF 02)( 22 dlrPPrPr r )( 2dl Pr r L Pr r 2 L PR R 2 R r R r 剪应力剪应力 剪应力分布剪应力分布 流速流速v 牛顿流体满足方程牛顿流体满足方程 则则 drdv L rRP rdr L P dvv r R v 4 )( 2 22 0 L PR R 2 管中心处管中心处r=0时，时， 管壁处管壁处v=0 平均流速平均流速 任意处液体流速分布任意处液体流速分布 说明说明牛顿流体在圆

8、形管道中流动时速度分布牛顿流体在圆形管道中流动时速度分布 呈抛物线形呈抛物线形 L PR v 4 2 0 2 0 v v )(1 2 0 R r vvr 体积流动速率体积流动速率Q 液体在管中流动时流速为液体在管中流动时流速为 RR L PR rdrrR L P rvdrQ 0 4 22 0 8 )( 2 2 剪切速率剪切速率R 所以管壁处的剪切速率为：所以管壁处的剪切速率为： 任意半径处的剪切速率为：任意半径处的剪切速率为： 3 4 2 R Q L PR 3 4 R Q w )( 2 ( 2 0 R r R v R r L PR r r L PR Q 8 4 （二）非牛顿液体在简单圆形管中二

9、）非牛顿液体在简单圆形管中 的流动的流动 大多数聚合物液体都是典型的大多数聚合物液体都是典型的非牛顿液体非牛顿液体， 仍为层流稳态流动，引入非牛顿指数仍为层流稳态流动，引入非牛顿指数n，得出，得出 经验公式。经验公式。剪应力与牛顿液体一样。剪应力与牛顿液体一样。 任意半径处的流速任意半径处的流速： )() 2 )( 1 ( 111 n n n n n r rR L P n n v L PR R 2 圆管中心处速度圆管中心处速度： 平均流速平均流速： 体积流动速率体积流动速率： 任意半径处的剪切速率任意半径处的剪切速率： n L PR n nR v 1 0 ) 2 )( 1 ( 2 0 ) 13

10、 1 ( R Q v n n v n L PR n Rn Q 1 3 ) 2 )( 13 ( n r R r R v n n 1 0 )()( 1 ( 圆管中任一半径处速度与平均速度的关系圆管中任一半径处速度与平均速度的关系： 根据上试，取不同的根据上试，取不同的n值，以值，以vr/v对对r/R作图可作图可 得流速分布曲线。得流速分布曲线。 n=1为牛顿液体，曲线为抛物线；为牛顿液体，曲线为抛物线； n1为膨胀性液体，为膨胀性液体，n越大，曲线越接近锥形越大，曲线越接近锥形 n1为假塑性液体，为假塑性液体，n越小，曲线越接近柱塞形，越小，曲线越接近柱塞形， 这种流动称为这种流动称为柱塞流动柱塞

11、流动。 )(1) 1 13 ( 1 n n r R r n n v v n值不同时圆管中流动液体的速度分布值不同时圆管中流动液体的速度分布 圆形管中的柱塞流动速度分布圆形管中的柱塞流动速度分布 宾汉液体宾汉液体具有更明显的具有更明显的柱塞流动柱塞流动特征特征 将其流速分布分为两 部分： 中心：rr*，r*， y，剪 切流动； r=r*， =y，过度区 柱塞形流动（柱塞形流动（a）与抛物线形流动（）与抛物线形流动（b）的比较）的比较 由于柱塞流动中液体受到由于柱塞流动中液体受到 的的剪切力作用小剪切力作用小，所以混，所以混 合效果差，制品性能不好，合效果差，制品性能不好， 抛物线流动中有旋涡的存

12、抛物线流动中有旋涡的存 在，混合效果好。在，混合效果好。 如：如：PVC、PP柱塞流动柱塞流动 PE无柱塞流动，染色无柱塞流动，染色 均匀。均匀。 可看出，非牛顿流体在圆管中的流动是稳的。可看出，非牛顿流体在圆管中的流动是稳的。 剪应力呈线性分布，管壁处剪应力和剪切速率最剪应力呈线性分布，管壁处剪应力和剪切速率最 大，中心流速最大。大，中心流速最大。 实际情况实际情况： 管壁处流速不为零。管壁处流速不为零。 原因原因： 1、有滑动存在。、有滑动存在。 2、加入润滑剂，滑动变大。（、加入润滑剂，滑动变大。（PVC加入硬加入硬 脂酸）脂酸） 3、悬浮液可能分层，管壁粘度较小。、悬浮液可能分层，管壁

13、粘度较小。 4、 分子量分布宽的聚合物，低分子物质趋分子量分布宽的聚合物，低分子物质趋 向管壁。向管壁。 图3-5 （三）（三） 圆管中的非等温流动圆管中的非等温流动 等温流动在实际中有误差，不等温的原因有：等温流动在实际中有误差，不等温的原因有： I.工艺上人为使其不等温工艺上人为使其不等温 聚合物加工常在高温下进行，高温及剪切热易引起聚合物加工常在高温下进行，高温及剪切热易引起 降解。为避免此类现象，在每个区段加工温度不同，降解。为避免此类现象，在每个区段加工温度不同， 如挤出机。如挤出机。 II.剪切产生摩擦升温剪切产生摩擦升温 剪切力分布呈直线梯度分布，剪切力不同，摩擦热剪切力分布呈直

14、线梯度分布，剪切力不同，摩擦热 不同，温度升高。不同，温度升高。 III.流动过程中有压力降而冷却流动过程中有压力降而冷却 压力降低，聚合物体积膨胀而吸热，聚合物冷却。压力降低，聚合物体积膨胀而吸热，聚合物冷却。 IV.壁面的热传导壁面的热传导 温度在管子中的分布温度在管子中的分布Toor半经验公式半经验公式 )(1 ) 1(2 ) 13( )(1) 1 2 (1 2 2 13 0 R r T nn n R r T n n TT TT n n W W 图3-6 二、聚合物液体在狭缝通道中的等温流动二、聚合物液体在狭缝通道中的等温流动 所谓所谓狭缝通道狭缝通道是指那些厚度远比宽度小得多的是指那些

15、厚度远比宽度小得多的 通道。最典型的代表是通道。最典型的代表是挤出板材或薄片挤出板材或薄片的平直口模。的平直口模。 当当圆形环口圆形环口的圆周长比口模间隙的圆周长比口模间隙(即厚度即厚度)尺寸尺寸 大得多的情况，亦即构成环形口模的外径大得多的情况，亦即构成环形口模的外径R0与内径与内径 只只Ri接近时，也可以当成狭缝通道来处理。接近时，也可以当成狭缝通道来处理。 吹塑管形薄膜吹塑管形薄膜和挤出大尺寸圆管的口模属于和挤出大尺寸圆管的口模属于 这种情况。这种情况。 生产生产流涎薄膜的口模流涎薄膜的口模也是一种狭缝通道。也是一种狭缝通道。 平行板狭缝通道中聚合物流体的受力分析平行板狭缝通道中聚合物流

16、体的受力分析 距中平面任意距中平面任意h处的剪应力为处的剪应力为： 液体的流速在壁面为零，在中平面处最大：液体的流速在壁面为零，在中平面处最大： )( L P h h n L PH n n Hv 1 0 ) 1 ( 在距中平面任意位置在距中平面任意位置h处处Z方向的流速方向的流速为：为： 平均流速平均流速： )(1 )( 1 ( 1 0 111 n n n n n n n h H h vhH L P n n v 0 ) 12 ( 2 v n n WH Q vh 聚合物液体的容积流率聚合物液体的容积流率为为 液体剪切速率液体剪切速率： 非牛顿流体在狭缝间进行稳态流动时，其非牛顿流体在狭缝间进行稳

17、态流动时，其 流动行为与圆管中的流动行为相似。流动行为与圆管中的流动行为相似。 n L PH WH n n WHv n n Q 12 0 )() 12 2 () 12 1 (2 n h H h H v n n 1 0 )()( 1 ( 在壁面处（在壁面处（h=H）最大）最大 长边：与W平行，一维流动 边缘：x,y均变化，二维流动 三、聚合物的拖曳流动和收敛流动三、聚合物的拖曳流动和收敛流动 以上所讨论的都是聚合物液体受压力作用以上所讨论的都是聚合物液体受压力作用 在管道中引起的一维流动在管道中引起的一维流动压力流动压力流动。 液体在管道中的流速分布、流率、剪应力液体在管道中的流速分布、流率、剪

18、应力 和剪切速率的分布和量值均与管道中的压力降和剪切速率的分布和量值均与管道中的压力降 有关。这是一类简单的流动。有关。这是一类简单的流动。 但聚合物加工过程中还常常出现一类但聚合物加工过程中还常常出现一类复杂复杂 的流动的流动。例如二维或三维的流动，同时流动中。例如二维或三维的流动，同时流动中 的液体除受到的液体除受到剪切剪切作用以外还受到作用以外还受到拉伸拉伸作用。作用。 如如拖曳流动拖曳流动和和收敛流动收敛流动。 （一）（一） 拖曳流动拖曳流动 聚合物液体的流动行为除受聚合物液体的流动行为除受压力压力因素的影因素的影 响外，还要受到响外，还要受到管道运动部分管道运动部分的影响。的影响。

19、这种影响表现在粘滞性很大的聚合物液体这种影响表现在粘滞性很大的聚合物液体 能随管道的运动部分移动，所以称这种流动为能随管道的运动部分移动，所以称这种流动为 拖曳流动。拖曳流动。 液体的总流动是拖曳流动和压力流动的总液体的总流动是拖曳流动和压力流动的总 和。和。 聚合物液体在挤出机聚合物液体在挤出机螺杆槽螺杆槽与料筒壁所构与料筒壁所构 成的矩形通道中的流动或在挤出成的矩形通道中的流动或在挤出线缆包复物线缆包复物环环 形口模中的流动就是典型的拖曳流动。形口模中的流动就是典型的拖曳流动。 1、挤出线缆包复物口模的拖曳流动、挤出线缆包复物口模的拖曳流动 挤出线缆包复物时，口模静止，线缆芯以一定速度挤出

20、线缆包复物时，口模静止，线缆芯以一定速度Vz 连续沿连续沿Z方向移动。方向移动。 在在 X 2 + Y2 = R02 时，口模壁面的流速时，口模壁面的流速VR0 = 0 在在 X 2 + Y2 = Ri2 时，时，线缆芯外壁线缆芯外壁 的流动速度的流动速度VRi = Vz 。 在在 X 2 + Y2 = R2 且且 R0RRi 时，时， VR = Vz (R- R0 ) / ( Ri -R0 ) 由于不存在由于不存在x和和y方向的流动，所以方向的流动，所以 挤出线缆包复物时是一维流动挤出线缆包复物时是一维流动。 2. 液体在挤出机螺杆槽中的的拖曳流动液体在挤出机螺杆槽中的的拖曳流动 流动复杂，

21、流体的流道为高流动复杂，流体的流道为高H宽宽W的螺旋通道。的螺旋通道。 螺杆转动时，三个螺槽壁相对静止。可看成料筒反方螺杆转动时，三个螺槽壁相对静止。可看成料筒反方 向旋转，螺杆静止。向旋转，螺杆静止。 （1）料壁沿）料壁沿Z方向运动。方向运动。 液体的流速在液体的流速在x=0，x=w和和y=0（螺杆槽的螺杆槽的 三个壁面三个壁面）为零。）为零。 在在y=H处（处（料筒壁面料筒壁面）与料筒沿）与料筒沿Z轴方向移轴方向移 动的速度动的速度vz相同。在这种由螺杆转动引起的拖曳相同。在这种由螺杆转动引起的拖曳 流动中，沿流动中，沿y轴的速度分布如图所示。拖曳流动轴的速度分布如图所示。拖曳流动 的最大

22、速度在料筒壁上。的最大速度在料筒壁上。 但挤出机中但挤出机中压力压力沿沿Z轴向机头方向是逐渐增轴向机头方向是逐渐增 加的，因此机头处反压最大，这种压力将使液体加的，因此机头处反压最大，这种压力将使液体 产生逆流，速度分布为抛物线形。产生逆流，速度分布为抛物线形。 液体的流动是这两种流动的液体的流动是这两种流动的迭加迭加。 （a）压力流动、）压力流动、 （b）拖曳流动和（）拖曳流动和（c）迭加后的速度分布）迭加后的速度分布 q=Q压 压/Q拖拖 讨论 讨论? 在在x方向上可以形成封闭的方向上可以形成封闭的环形流动环形流动， 这种环流是螺杆旋转时螺纹斜棱液体的推这种环流是螺杆旋转时螺纹斜棱液体的推

23、 挤作用和料筒表面对液体的拖曳作用共同挤作用和料筒表面对液体的拖曳作用共同 引起的。引起的。 环流速度分布仅与螺杆的转速和螺纹环流速度分布仅与螺杆的转速和螺纹 的螺旋角有关，在螺杆根径处的螺旋角有关，在螺杆根径处(y0)流速流速 为为负负值，而在料筒表面值，而在料筒表面(yH)为为正正值，在值，在 螺槽深度为螺槽深度为y2H3处流速为处流速为零零。 环形流动不影响流率的变化，但对聚环形流动不影响流率的变化，但对聚 合物的合物的混合、塑化和热交换混合、塑化和热交换有促进作用。有促进作用。 螺槽中沿螺槽中沿x方向的环形流动及速度分布方向的环形流动及速度分布 从以上讨论中可以看出，螺槽中液从以上讨论

24、中可以看出，螺槽中液 体同时在体同时在z轴和轴和x轴方向进行着流动，并轴方向进行着流动，并 存在着两个速度存在着两个速度vz和和vx，液体正是在拖液体正是在拖 曳流动、压力流动和环形流动的共同作曳流动、压力流动和环形流动的共同作 用下流向机头用下流向机头。 液体的总流速则是液体的总流速则是Vz与与Vx的迭加。的迭加。 液体在螺槽个的流动已经不是一维流动，液体在螺槽个的流动已经不是一维流动， 而属于二维和三维流动了。而属于二维和三维流动了。 （二）二） 收敛流动收敛流动 1. 抑制性收敛流动（管子变小引起的）抑制性收敛流动（管子变小引起的） 管径变小，流线不平行，流体与流线形成一个锥角，管径变小

25、，流线不平行，流体与流线形成一个锥角， 锥角的一半叫流线收敛角锥角的一半叫流线收敛角 锥度的好处：锥度的好处：1、速度缓慢变化，、速度缓慢变化，2、克服扰动和大、克服扰动和大 压力降，压力降，3、减小功率损耗，、减小功率损耗，4、提高生产能力、提高生产能力 2. 非抑制性收敛流动（拉伸流动非抑制性收敛流动（拉伸流动） 当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并当粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并 受外力拉伸时产生时产生的收敛流动，又称拉伸流动。受外力拉伸时产生时产生的收敛流动，又称拉伸流动。 如纺丝过程中丝条离开喷丝板后的拉伸流动。如纺丝过程中丝条离开喷丝板后的拉伸流动。 3. 分子伸展

26、和取向分子伸展和取向 收敛流动或拉伸流动中，聚合物液体会收敛流动或拉伸流动中，聚合物液体会 产生很大的拉伸应变，它表现为产生很大的拉伸应变，它表现为柔性分子链流柔性分子链流 动中逐渐伸展和取向动中逐渐伸展和取向。伸展与取向的程度与液。伸展与取向的程度与液 体中的速度梯度和流动的收敛角有关。体中的速度梯度和流动的收敛角有关。 速度梯度速度梯度和收敛角和收敛角 拉伸应变拉伸应变 大分子伸展速度和取向大分子伸展速度和取向 对大多数聚合物，锥形管道的收敛角不应对大多数聚合物，锥形管道的收敛角不应 过大，否则会导致大量弹性能的贮存，引起成过大，否则会导致大量弹性能的贮存，引起成 型制品变形和扭曲，甚致引

27、起熔体破裂现象的型制品变形和扭曲，甚致引起熔体破裂现象的 出现，所以通常都使出现，所以通常都使收敛角收敛角10。 4. 拉伸应变与拉伸粘度拉伸应变与拉伸粘度 一定时，流动过程中，拉伸应变增加，在锥一定时，流动过程中，拉伸应变增加，在锥 角的最窄端达到最大值。角的最窄端达到最大值。 拉伸应变拉伸应变 拉伸应变速率拉伸应变速率 拉应力拉应力 拉伸粘度拉伸粘度 )ln( 0 L L dt dL Ldt d 1 dz dv dt dL L z 5. 影响拉伸粘度影响拉伸粘度的因素的因素 （1）收敛角）收敛角 锥：锥： tg=(2a/ )1/2 楔：楔： tg=(3/2) (a/ )1/2 （2）拉伸应

28、变速率）拉伸应变速率 很低时，很低时，为定值为定值 30； 很高时，不同的聚合物很高时，不同的聚合物 也不同。也不同。 PE、PP拉伸变稀拉伸变稀 PAN等等不变不变 LDPE PIB PS等等拉力变硬拉力变硬 一般：拉力变硬一般：拉力变硬 （3）温度）温度T T升高，升高， 下降下降 （ 4）压力）压力P P升高，升高， 也升高也升高 （ 5）拉伸方式）拉伸方式 单轴拉伸单轴拉伸=30； 双轴拉伸若双轴拉伸若x= y= ，=60 （牛顿流体）（牛顿流体） 第二节第二节 聚合物液体流动过程聚合物液体流动过程 的弹性行为的弹性行为 大多数聚合物在流动中除表现出粘性行为大多数聚合物在流动中除表现出

29、粘性行为 外，还不同程度地表现出弹性行为。外，还不同程度地表现出弹性行为。 这种弹性对聚合物加工与成型有很大的影这种弹性对聚合物加工与成型有很大的影 响。响。 聚合物流动过程最常见的弹性行为是聚合物流动过程最常见的弹性行为是端末端末 效应效应和和不稳定流动不稳定流动。 一、端末效应一、端末效应 管子进口端与出口端这种与聚合物液体弹性管子进口端与出口端这种与聚合物液体弹性 行为有紧密联系的现象就称为端末效应，亦可分行为有紧密联系的现象就称为端末效应，亦可分 别称为别称为入口效应和模口膨化效应入口效应和模口膨化效应。 流体由大管进入小管内时，流动不再稳定，流体由大管进入小管内时，流动不再稳定， 流

30、体中各点速度在大小和方向上都随时发生变化，流体中各点速度在大小和方向上都随时发生变化， 速度分布成一条直线，流体进入导管后必须经过速度分布成一条直线，流体进入导管后必须经过 一定距离，稳定流动才能形成，这种效应叫一定距离，稳定流动才能形成，这种效应叫入口入口 效应。效应。 另外，在出口端，假塑性流体先收缩后有出另外，在出口端，假塑性流体先收缩后有出 现膨胀，而且膨胀至比导管直径还大，这种现象现膨胀，而且膨胀至比导管直径还大，这种现象 叫叫模口膨胀模口膨胀效应。效应。 聚合物液体在管子入口区域和出口区域的流动聚合物液体在管子入口区域和出口区域的流动 流体由贮槽或大管进入导管时，流体中各点的速度流

31、体由贮槽或大管进入导管时，流体中各点的速度 在大小和方向上随时变化，只有在进入导管后经一段距在大小和方向上随时变化，只有在进入导管后经一段距 离稳定流动才能形成，这种效应叫入口效应。用离稳定流动才能形成，这种效应叫入口效应。用入口区入口区 域长度域长度Le表示。表示。 （一）入口效应（一）入口效应 1. 入口效应区域长度入口效应区域长度Le 用用Le或或Le/D表示产生入口效应区域的范表示产生入口效应区域的范 围围 假塑性流体：假塑性流体： Le = 0.030.05 ReD Re = (DnV2-n)/(gk8n-1) Re2320 滞流滞流 Re10000 湍流湍流 2320 Re 0，出

32、现膨胀，压力差越大，出现膨胀，压力差越大， 膨胀比越大。膨胀比越大。 2. 大分子在流动过程中取向大分子在流动过程中取向 Le区域：分子拉伸取向区域：分子拉伸取向 Ls区域：剪切取向区域：剪切取向 这两种取向在出口时要弹性回复，这两种取向在出口时要弹性回复，Le影响影响 更大。更大。 （三）（三） 影响端末效应的因素影响端末效应的因素 Le和和Df/D是关联的，一般来说是关联的，一般来说Le越越 大，大， Df/D也越大，影响因素一致。也越大，影响因素一致。 1. 分子量分子量 MnLe或或Df/D 2. 分子量分布分子量分布 分布窄分布窄Le 或或Df/D 3. 非牛顿性非牛顿性 n Le或

33、或Df/D 4. 弹性模量弹性模量E或剪切模量或剪切模量 E或或G Le 或或Df/D 5. 温度温度 T Le 或或Df/D 6. 剪切速率剪切速率 Le 或或Df/D 7. 管道长径比管道长径比 L/D Le 或或Df/D 减小端末效应的措施减小端末效应的措施 n提高加工温度提高加工温度 n适当减小剪切应力适当减小剪切应力 n增大增大L/D n对挤出物加以适当牵引对挤出物加以适当牵引 二、不稳定流动和熔体破裂现象二、不稳定流动和熔体破裂现象 聚合物熔体在低剪切速率的流动条件下，各种聚合物熔体在低剪切速率的流动条件下，各种 因素引起的小的扰动容易受到抑制。因素引起的小的扰动容易受到抑制。 定

34、义定义：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的：聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的 扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破 坏，这种现象称为坏，这种现象称为“熔体破裂熔体破裂”。 出现出现“熔体破裂熔体破裂”时的应力或剪切速率称为时的应力或剪切速率称为临临 界应力和临界剪切速率。界应力和临界剪切速率。 PMMA于于170、不同应力下不同应力下 发生不稳定流动时挤出物试样发生不稳定流动时挤出物试样 产生熔体破裂的原因产生熔体破裂的原因 1. 管壁上出现滑移和液体中的弹性回复管壁上出现滑移和液体中的弹性回复 n剪切变稀，剪切变稀，表观粘度最低表观粘度最

35、低，产生滑移。，产生滑移。 n流动中的分级效应使流动中的分级效应使低分子量组分低分子量组分分裂在管壁，分裂在管壁， 粘度降低，产生滑移。粘度降低，产生滑移。 滑移造成流速不同，弹性能分布不均，在平行梯度上滑移造成流速不同，弹性能分布不均，在平行梯度上 产生弹力效应，当弹性应力大于粘滞阻力时平衡产生弹力效应，当弹性应力大于粘滞阻力时平衡 破坏，破坏，产生弹性回复产生弹性回复。 2. 液体剪切历史的差异液体剪切历史的差异 n入口区域和管内受到的剪切力不同，弹性回复不入口区域和管内受到的剪切力不同，弹性回复不 同。同。 n入口端的死角存在涡流，使剪切力不同。入口端的死角存在涡流，使剪切力不同。 稳定

36、流动与不稳定流动的速度分布稳定流动与不稳定流动的速度分布 影响因素影响因素 1. 非牛顿性非牛顿性 非牛顿性强，柱塞流动，不易涡流，非牛顿性强，柱塞流动，不易涡流，入口区域和管入口区域和管 内受到的剪切作用是主要原因内受到的剪切作用是主要原因。在较高剪切下出现不稳定。在较高剪切下出现不稳定 流动，流动，rc,如如PP、PVC、HDPE。 非牛顿性差，抛物线流动，易涡流。非牛顿性差，抛物线流动，易涡流。涡流是引起不涡流是引起不 稳定流动的主要原因稳定流动的主要原因。 rc如如LDPE、聚酯。、聚酯。 2. 分子量及其分布分子量及其分布 分子量越大，易缠结，弹性回复严重，较低的剪切分子量越大，易缠

37、结，弹性回复严重，较低的剪切 速率就破裂；速率就破裂； 分子量分布窄，临界剪切应力也降低。分子量分布窄，临界剪切应力也降低。 3. 加工温度加工温度T T越高，临界应力和临界剪切速率越高，临界应力和临界剪切速率 都增大。都增大。 4. 流道几何形状流道几何形状 越小，临界剪切速率变大，长径比越小，临界剪切速率变大，长径比 增大，临界剪切速率增加。增大，临界剪切速率增加。 显然，不稳定流动现象的存在将限显然，不稳定流动现象的存在将限 制流率的进一步提高，所以过分提高挤制流率的进一步提高，所以过分提高挤 出速度会使制品外观和内在质量受到不出速度会使制品外观和内在质量受到不 良的影响。良的影响。 第三节第三节 聚合物液体流动性测量方法聚合物液体流动性测量方法 简介简介 将各种聚合物材料置于不同仪器中，测将各种聚合物材料置于不同仪器中，测 定它们在定它们在不同温度和压力下的剪应力、剪切不同温度和压力下的剪应力、剪切 速率和表现剪切粘度之间的关系速率和表现剪切粘度之间的关系。有时还包。有时还包 括括拉伸应力和拉伸粘度和温度之间的关系拉伸应力和拉伸粘度和温度之间的关系等等 对于对于真实的非牛顿流体真实的非牛顿流体 液体在管中的液体在管中的速度分布速度分布 n k dr dv )( n L Pr k dr dv ) 2 ( ) 1 )( 2 () 2 (