第七章聚合物流体的流变性1

1、第三章第三章 聚合物聚合物流体的流变性流体的流变性 v聚合物加工如化纤纺丝、橡胶加工、塑料成型都离不开聚合物的流动与形变。v聚合物流变学( rheology of polymers )是研究聚合物流动与形变的科学。选择加工工艺；确定操作条件；设备优化设计；获得性能良好的制品意义v典型製程之典型製程之流場強度流場強度範圍範圍v加工問題的實例加工問題的實例- ExtrusionFIG Extrudate of a brached silicone gum at increasing pressureSharkskinMelt fracture-1 () sHigh-speed coatingInj

2、ection moldingLubricationSedimentationRollingPipe flowExtrusionSprayingChewing710510310110110310510v一非牛顿流体的表征一非牛顿流体的表征v1聚合物流体的流动行为聚合物流体的流动行为 牛顿流体牛顿流体v剪切应力12与剪切速率 之间呈线性关系，其粘度与 无关，服从牛顿定律：12v 12 与 非线性，粘度随 而变n12K v式中：K为粘度系数，v n为非牛顿指数v非牛顿流体的表征：非牛顿流体表征流体偏离牛顿型流动的程度v当n=1时，牛顿流体，牛顿粘度不变 ； v要克服某一临界剪切应力才能使其产生牛顿流

3、动v当n1时，a随 的而a随 而 a12 / =K n-1 v当n0；v切力增稠: (P)计算。相当于孔道增加了一段虚构长度。v弹性的本质：弹性的本质：v-熵弹性。v聚合物流体的弹性表征：聚合物流体的弹性表征：第一法向应力差函数；弹性模量（剪切弹性模量G或拉伸弹性模量E）松弛时间（/G）；动态粘度函数();动态储能模量G()；胀大比。二影响聚合物流体弹性的因素二影响聚合物流体弹性的因素v（一）分子参数对聚合物流体弹性的影响（一）分子参数对聚合物流体弹性的影响v法向应力和柔量增大，弹性大2012211,T,Mw1zzeMMMRT52Jv平均相对分子质量增加，弹性增大；v相对分子质量分布的加宽，弹

4、性增大；v长链分支增加，弹性增大。图7-47 280不同特性粘度聚酯的入口压力降1-=1.04 2-=0.66 3-=0.56图7-48 聚酯的特性粘度与挤出胀大比的关系1L/D=1 2L/D=5 3L/D=7熔体温度290 喷丝板直径1.2mm图7-50 280时不同相对分子质量分布的聚酯的入口压力降1-分布宽 2-分布窄v（二）加工条件对聚合物流体弹性的影响（二）加工条件对聚合物流体弹性的影响v1温度的影响温度的影响v温度升高，弹性表现减小，如图。 图7-51 聚酯熔体的挤出胀大比与熔体温度的关系1=0.86 2=0.74 3=0.64v2.浓度的影响浓度的影响v浓度的升高，法向应力增大,

5、弹性显著。v3剪切速率的影响剪切速率的影响v剪切速率越大，流体入口压力降、法向压力差及胀大比越大，弹性能贮存越高，弹性效应越显著。如图 。图7-53 聚合物熔体在200时的第一法向应力差与剪切速率的关系1-高密度聚乙烯 2-低密度聚乙烯 3-聚苯乙烯图7-55 聚丙烯熔体的挤出胀大与剪切速率的依赖关系。（试样相对分子质量29.3万 熔体温度190）曲线旁的数字为毛细孔的长径比v4流动的几何条件的影响流动的几何条件的影响v倒角60-120o。v喷丝孔直径增大，挤出胀大比明显减小，弹性效应减弱。如图7-57。图7-57 喷丝孔直径与挤出胀大比的关系1=0.86 2=0.74 3=0.64v长径比大

6、，有利于松弛过程的完成，弹性较小，如图。图7-58 长径比对聚酯熔体的挤出胀大比的影响1=0.86 2=0.74 3=0.64（三）混合对弹性的影响（三）混合对弹性的影响v填料浓度增加，弹性降低。临界剪切应力上升。v碳黑等填充补强v降低出口胀大比和挤出物的畸变。图7-59 碳酸钙填充聚丙烯的法向应力差随剪切应力变化1CaCO3/PP=0/100 2CaCO3/PP=10/90 3CaCO3/PP=20/80 4CaCO3/PP=40/60v定量描述：v视聚合物流体为Maxwell流体：2101)(1)31(exptRLnNNvPP比PET的非牛顿性强，弹性显著，值和 值大，总法向应力差N1大。

7、v适当提高纺丝温度；v控制适宜的相对分子质量；v适当加大孔口直径（0.4mm)；v增大喷丝孔长径比（L/值大于2）；v降低剪切速率；v -减小细流的胀大比，改善PP的可纺性。 )(1本课习题v1聚合物流体有哪些弹性表现？其本质是什么？如何表征？v2分析影响聚合物弹性的因素，并说明提高挤出量可能遇到的问题，如何克服？ 第三章第三章 聚合物流体聚合物流体的流变性的流变性第四节第四节 聚合物流体在管聚合物流体在管道中的流动道中的流动聚合物流体在管道中的流动参数聚合物流体在管道中的流动参数v纺丝过程中，高聚物流体基本为两种流场：纺丝过程中，高聚物流体基本为两种流场：v 出喷丝孔前出喷丝孔前: v 剪切

8、流动（压力作用下的压差流动）剪切流动（压力作用下的压差流动）v 出喷丝孔后出喷丝孔后: v 单轴拉伸流动单轴拉伸流动v纤维成型与喷丝孔长度纤维成型与喷丝孔长度L、截面形状有密切的关系、截面形状有密切的关系v高聚物通过喷丝孔有明显的流场变化高聚物通过喷丝孔有明显的流场变化 进毛细孔前，有一空间收敛的入口区进毛细孔前，有一空间收敛的入口区 出毛细孔后，进入大气或凝固浴，出毛细孔后，进入大气或凝固浴，流体成为流体成为无刚性界面束缚的液流无刚性界面束缚的液流流场变化为：流场变化为： 收敛流场收敛流场 + 管道流动管道流动 + 向拉伸流动过渡的流场向拉伸流动过渡的流场（入口区）（入口区） （毛细孔中）（

9、毛细孔中） （出口区）（出口区）v高聚物为粘弹体，其黏度对形变速率有依赖性高聚物为粘弹体，其黏度对形变速率有依赖性v当当L/D20时，在喷丝孔中才能形成稳定的流场。时，在喷丝孔中才能形成稳定的流场。但实际中，但实际中，L/D只能做到只能做到2，故很难稳定。，故很难稳定。 v v (7-49) v式中：L为毛细管的长度；v P为毛细管压力降。LPrr2)(122122)(rPrLr1孔道中的剪切应力孔道中的剪切应力12v在管道中心： (12)r=0=0；v在管壁处（rR）：(12)w 最大，即：v *v由于入口效应和粘弹体流动中弹性能储藏消耗了额外的压力，因此P实测P计算，vP进行进行Bagle

10、y修正修正 。 LPRRw2)()(12122、孔道中的流动线速度、孔道中的流动线速度V(r) 切力变稀流体切力变稀流体n1 流体速度分布接近柱塞形流体速度分布接近柱塞形 n值越小，管中心处的速度分布越值越小，管中心处的速度分布越平坦平坦，越接，越接近近柱塞形柱塞形。胀流形流体胀流形流体 n1，m1 流体速度分布变得陡峭流体速度分布变得陡峭 n越大，越接近锥形越大，越接近锥形3、平均流出体积速度、平均流出体积速度Q （体积流量）（体积流量） v单位时间内通过管道的流出体积单位时间内通过管道的流出体积 v(r)对管道的截面积积分可求得对管道的截面积积分可求得v纺丝流体由计量泵打出纺丝流体由计量泵打出 一转一转=？cc(cm3) 每个泵一个值每个泵一个值 泵泵 rpm (round/min) 可观测可观测4、管道壁上的剪切速率、管道壁上的剪切速率 v对于牛顿流体，则：v 34413RQnnw*34)(RQwN*喷丝板孔设计PET？PE？ 二、不稳定流动与熔体破裂二、不稳定流动与熔体破裂v“熔体破裂熔体破裂”：发生在临界剪切速率以上的不稳定流动,宏观表现为挤出物表面变得粗糙,失去光泽,粗细不均和出现扭曲,甚至破坏。.v出现“熔体破裂”时的剪切应力（速率）为临界剪切应力（速率）。