高分子流体不稳定流动及管壁滑移PPT课件

1、主要内容1.挤出成型过程中的熔体破裂行为2.管壁滑移现象3.纺丝成型过程中的拉伸共振现象第1页/共23页当剪切速率不大时，高分子熔体的表面是光滑的。然而，剪切速率超过某一临界值后，挤出物的外观依次出现表面出现表面粗糙、尺寸周期性起伏，直至破裂成碎片等种种畸变现象。来不及松弛8.1.1 8.1.1 熔体破裂现象熔体破裂现象光滑 20 s-1光滑 30 s-1鲨鱼皮畸变100 s-1鲨鱼皮畸变200 s-1黏-滑转变300 s-1螺纹状畸变800 s-1螺纹状畸变1000 s-1熔体破裂2000 s-1LLDPE熔体第2页/共23页3）熔体破裂的分类（从现象分）a)LDPE在临界剪切速率（或应力)

2、前是光滑的，之后随着剪切速率的增加，出现一些波动，流变曲线出现大幅度压力振荡或剪切速率突变，曲线不连续，有时使流变测量不能进行。8.1 8.1 熔体破裂现象熔体破裂现象第3页/共23页3）熔体破裂的分类（从现象分）b)HDPE（多为线形高分子分子）光滑（AB段）粗糙或有规则畸变（BC段）第二光滑区（DH段）提高产品质量和产率无规破裂（HE段）8.1.1 8.1.1 熔体破裂现象熔体破裂现象第4页/共23页a)LDPE当剪切速率较低时，流动是稳定的，死角处的涡流也是稳定的，对挤出物不产生影响。但是，当剪切速率大于临界值后，入口区出现强烈的拉伸流，其造成的拉伸形变超过熔体所能承受的弹性形变极限，强

3、烈的应力集中效应使主流道内的流线断裂， 使死角区的环流或涡流乘机进入主流道而混入口模。主流线断裂后， 应力局部下降， 又会恢复稳定流动。然后再一次集中弹性形变能， 再一次流线断裂。这样交替轮换， 主流道和环流区的流体将轮番进入口模。这是两种形变历史和携带能量完全不同的流体， 可以预见，它们挤出时的弹性松地行为也完全不同，由此造成口模出口处挤物的无规畸变。所以，长径比越大，熔体破裂越减弱。8.1.2 8.1.2 熔体破裂机理熔体破裂机理第5页/共23页b)HDPE流动时的应力集中效应主要不在口模入口区，而是发生在口模内壁附近， 口模入口区不存在死角涡流剪切速率低时，管壁无滑移，挤出过程正常。剪切

4、速率达到一定值，应力集中导致流线断裂。同时应力集中使熔体储能增大，克服摩擦力，出现管壁滑移，熔体突然增速(柱塞上压力下降)，同时释放出量释放后的熔体又会再次与模壁粘着，从而再集中能量，发生滑移。这种过程周而复始， 将造成聚合物熔体在模壁附近“时滑时粘”表现在挤出物上呈现出竹节状或套锥形的有规畸变。所以，长径比越大，熔体破裂越明显。8.1.2 8.1.2 熔体破裂机理熔体破裂机理第6页/共23页b)HDPE当剪切速率再增大时， 熔体在管壁附近会出现“ 全滑动” 这时反而能得到表团光滑的挤出物。既所谓的第二光滑挤出区。此时应力集中效应将转到口模入口区。在极高的剪切地率下，熔体流线在出口区就发生扰乱

5、，这时的挤出物必然呈无规破裂状。8.1.2 8.1.2 熔体破裂机理熔体破裂机理第7页/共23页1）口模的形状和尺寸2）挤出成型工艺条件3）挤出物料的性质8.1.3 8.1.3 影响挤出破裂的因素影响挤出破裂的因素第8页/共23页1）口模的入口角对LDPE 型熔体的挤出破裂行为影响。实验发现，当入口区为平口型人口角( = 90) ，挤出破裂现象严重。适当改造入口区， 将入口角减小变为喇叭口型时， 挤出物外观有明显改普且开始发生熔体破裂的临界剪切速率(或临界剪切应力 )增高。一是由于喇叭口型中物料所受的拉伸形变较小， 吸收的弹性形变能小；二是由于喇叭口型将死角切去， 涡流区减小或消失， 流线发展

6、比较平滑。为了高速光滑地挤出聚 乙烯， 有时还采用二阶喇叭口型， 它时使临剪切边率进一步提高。8.1.3.1 8.1.3.1 口模的形状和尺寸的影响口模的形状和尺寸的影响第9页/共23页2）口模的定型长度对熔体的挤出破裂行为的影响。对于LDPE 型熔体， 已知造成熔体挤出破裂现象的根源在于入口区的流线扰动，这种扰动会因聚合物熔体的松弛行为而减轻， 因而定型长度越长，弹性能松弛越多，熔体破裂程度就越轻， 见下图。对于HDPE 型流体， 熔体破裂现象的原因在于模壁在处的应力集中放应， 因而定型长度越长，挤出物外观反而不好。8.1.3.1 8.1.3.1 口模的形状和尺寸的影响口模的形状和尺寸的影响

7、第10页/共23页若工艺过程的作用时间小于材料本身的松弛时间，熔体破裂现象容易发生。a)剪切速率的影响b)温度的影响温度越小，越容易发生熔体破裂。对LDPE来说，剪切速率越大，越容易发生熔体破裂。8.1.3.2 8.1.3.2 挤出成型工艺条件的影响挤出成型工艺条件的影响第11页/共23页e)分子量的影响f)在平均分子量相等下，分子量分布的影响g)增塑剂的影响分子量越大，越容易发生熔体破裂。分子量分布越宽（低分子会增塑），越不易发生熔体破裂。增塑剂的加入，熔体破裂减弱。8.1.3.3 8.1.3.3 挤出物料的影响挤出物料的影响第12页/共23页管壁滑移两分于流体在管道、模具、仪器或设备内部流

8、动时， 我们总是假定管道壁或流道壁的非常薄的一层物料与管壁之间是相对不运动的。由于粘附作用，这层物料的运动速度可以认如为等于管壁的运动速度。这个假定称为“管壁无滑移假定8.2 8.2 管壁滑移现象管壁滑移现象第13页/共23页管壁滑移但实际上，这个假定有时不能成立。例如在挤出破质聚氨乙烯、高分子量聚乙烯以及橡胶类材料时，当物料在流道壁承受的剪切应力超过某个临界剪切应力时， 熔体将沿着流道壁发生滑动。紧贴流道壁的那一层物料具有一个有限德相对滑动速度 。这种现象称为“管壁滑动现象”8.2 8.2 管壁滑移现象管壁滑移现象第14页/共23页右图给出在几种不同的管壁边界状态下，流道管道流体的速度分布图

9、。图( a) 的速度场是按照管壁无滑移“的描写的，其最贴近流道壁的一层物料运动速度为0。图( c)流道中的速度场则不同，最贴近流道壁的一层物料也运动， 其运动速度等于管壁滑移速度。可以看出， 这种情况下通过流逝的液体体积流量比图( a) 的大。还有一种情形介于两者之间。既“管壁无滑移假定”仍然成立， 但是在流道壁附近出现一层流速很低的( 肯定粘度不同的) 物料流， 使流动分层， 见右图( b) 所示。这种情形多半是由于物料配方中外润滑剂用量过多所致8.2 8.2 管壁滑移现象管壁滑移现象第15页/共23页管壁滑移实验表明， 管壁滑移现象多发生在高剪切、低粘附的管道边界状态中。临界剪切应力的大小

10、因具体材料和边界条件不同而异。据报道，对聚乙烯熔体，临界剪切应力的范因为0.1-0.14 MPa。8.2 8.2 管壁滑移现象管壁滑移现象第16页/共23页拉伸共振现象指在熔体纺丝或平胶挤出成型过程(典型的拉伸流场)中，当拉伸比超过某一临界拉伸比 时， 熔体丝条直径(或平脱宽度)发生准周期性变化的现象。纺丝成型过程中的拉伸共振现象纺丝成型过程中的拉伸共振现象拉伸比越大，波动周期就越短，波动程度越剧烈。0critLvv原因：分子链取向-断裂-再取向第17页/共23页1）挤出口模形状和尺寸2）纺丝或挤膜工艺条件3）聚合物熔体的性质8.3.1 8.3.1 影响拉伸共振的因素影响拉伸共振的因素弹性松弛越少，弹性松弛回复越快，拉伸共振越弱。第18页/共23页口模长径比越大，聚丙烯熔体的临界拉伸比越高。这与熔体通过较长的口模后，熔体原有的弹性形变得到松弛有关。此外，熔体温度升高，黏度下降，松弛时间变短，临界拉伸比提高，拉伸共振减轻。第19页/共23页储器直径与口模直径之比 越大，聚丙烯熔体的临界拉伸比越高。这说明熔体在口模入口区承受较多的弹