第二章 聚合物加工基本原理

第二章聚合物加工基本原理第1页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.1聚合物的加工性质2.2聚合物的流变性质2.3聚合物流体在管和槽中的流动2.4聚合物在加工过程中的物理和化学变化CONTENTS（6学时）第2页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3聚合物流体在管和槽中的流动2.3.1在简单几何形状管道内聚合物流体的流动2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为

第3页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3聚合物流体在管和槽中的流动基本流动类型：1、层流和湍流2、稳态流动和非稳态流动3、等温流动和非等温流动4、一维流动、二维流动和三维流动5、拉伸流动和剪切流动准备知识第4页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：1、层流和湍流（按流体在在管道中的流动状态）

（a）层流（b）湍流层流（黏性流动或流线流动）特征：流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动，与边壁等距离的液层以同一速度向前移动，不存在任何宏观的层间质点运动，所有质点的流线均相互平行。湍流（紊流）特征：流体的质点除向前运动外，还在主流动的横向上作不规则的任意运动，质点的流线呈紊乱状态。第5页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：流体的流动状态由层流转变为湍流的条件：式中：Re——雷诺数，为一无量纲的数群；

D——管道直径；

ρ——流体密度；

v——流体速度；

η——流体剪切黏度；

Rec——临界雷诺数，其值与流道的断面形状和流道壁的表面粗糙度等有关，光滑的金属圆管Rec=2000～2300。

大多数聚合物流体，尤其是熔体，粘度很大，Re不大于10，一般为层流。但是，在特殊场合，如经小浇口注射进大型腔，由于剪切力过大等原因，也会出现弹性湍流。上式讨论：Re与v成正比与η成反比，v越小、η越大就越不易呈现湍流状态。第6页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：2、稳态流动和非稳态流动稳态流动是指流体的流动状态不随时间而变化的流动，其主要特征是引起流动的力与流体的粘性阻力相平衡，即流体的温度、压力、流动速度、速度分布和剪切应变等都不随时间而变化。如正常操作的挤出机中熔体的流动。非稳态流动流体的流动状况随时间而变化的流动。聚合物熔体是一弹性流体，在受到恒定外力作用时，同时有粘性形变和弹性形变发生。在弹性形变达到平衡之前，总形变由大到小变化，呈非稳态流动；而在弹性形变达到平衡后，就只有粘性形变随时间延长而均衡地发展，流动进入稳定状态。通常注射充模时熔体的流动。第7页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：3、等温流动和非等温流动等温流动：是指在流体各处的温度保持不变的情况下的流动。在等温流动的情况下流体与外界可以进行热量传递，但传入与传出的热量应保持相等。非等温流动：工艺要求各段温度不同；由于粘性液体流动过程中有能量耗散的升热效应、应力下降引起的流体体积膨胀产生吸热效应，这些都使流道轴向上产生温度差。在塑料成型的实际条件下，聚合物一般均呈非等温流动。但是在一定的流道长度及一定时间范围内，将聚合物的成型过程当做等温流动处理，不会引起过大偏差，可以使流动分析大为简化。第8页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：一维流动：流道内质点的速度仅在一个方向上变化。如：聚合物流体在等截面圆管内做层流时，其速度分布仅是圆管半径的函数，是一个典型的一维流动。二维流动：流道截面上各点的速度需要用两个垂直于流动方向上的坐标表示。如流体在矩形流道内流动，其速度在高度和宽度方向都发生变化。三维流动：流体流速要用三个相互垂直的坐标表示。如流体在锥形流道或其它截面逐渐缩小的通道流动，其质点的速度不久沿通道截面纵横两个方向，而且也沿主流动方向发生变化。4、一维流动、二维流动、三维流动---流速分布特征第9页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：5、拉伸流动和剪切流动

流体流动时，即使是层流，各点的流速也不会相同，我们把各点速度的变化方式称为速度分布。按质点流动方向上速度不同：拉伸流动和剪切流动。拉伸流动：质点速度沿流动方向发生变化。单轴拉伸特点是一个方向伸长，另两个方向缩短。如生产纤维、扁丝等。双轴拉伸特点是两个方向同时拉伸。如中空吹塑、薄膜生产等。流动方向第10页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：剪切流动：质点速度沿流动方向的垂直方向发生变化。流动方向压力流动——聚合物流体在圆形等简单形状管道中因受压力作用而产生的流动称为压力流动，流动中液体只受到剪切作用，并且由于粘度很高，通常情况下都是稳态流动。第11页，共47页，2023年，2月20日，星期三基本流动类型：收敛流动：聚合物液体在具有截面尺寸逐渐变小的管道中(如锥形)流动。不仅受剪切作用，而且还有拉伸作用。拖曳流动：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时(相对于静止的部分)，则聚合物还将随管道或口模的运动部分产生拖曳流动，它也是一种剪切流动，但液体在管道中的压力降及流速分布将受运动部分的影响。如：聚合物在挤出机螺槽中的流动以及在生产线缆包复物在口模中的流动。第12页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.1在简单几何形状管道内聚合物液体的流动推导管道中流动参数间的关系式假设条件流体不可压缩；

实际上流体内有自由体积，有百分之几的压缩率

流动是等温过程；

实际管道各部分不可能很均匀液体在管道壁面不产生滑动(即壁面速度等于零)；

剪切速率很高时会滑移，这种滑移会增加流速液体的粘度不随时间而变化，并在沿管道流动的全过程中其它性质也不发生变化1、管2、缝第13页，共47页，2023年，2月20日，星期三

1、聚合物流体在圆管中的流动

牛顿流体-------只产生一维的剪切流动推导流体在管中的剪切应力分布方程和流速分布方程F1

推动液体有A流向B的动力

F2阻力来自于液体的粘滞性F3

液体表面的剪切阻力推动液体的动力在ZA----ZB方向由P----降到P0液体单元的压力降在----------------稳态流动时：∑(F1+F2+F3)=0ZALPF1F2P′P′-△P′

F3dlrP0ZBP′-△P′

P′推导剪切应力分布方程：第14页，共47页，2023年，2月20日，星期三整理=在管全长范围内剪切应力是半径的线性函数τ剪切应力分布方程这样分布第15页，共47页，2023年，2月20日，星期三推导流速分布方程：牛顿流体将代入，积分牛顿流体∵∴分布与分布相同剪速率分布这样分布第16页，共47页，2023年，2月20日，星期三非牛顿流体

从上述推导过程中可以知道:剪切应力分布应没有变化速度分布与n有关

非牛顿流体

第17页，共47页，2023年，2月20日，星期三n<1假塑性非牛顿液体n＞1膨胀性非牛顿液体n值不同时圆管中流体速度分布nPVC、PP是典型的柱塞流牛顿流体第18页，共47页，2023年，2月20日，星期三n:非牛顿指数n=1牛顿液体，速度分布曲线为抛物线形；n＞1膨胀性非牛顿液体，

速度分布曲线变得较为陡峭，n值愈大，愈接近于锥形；n<1假塑性非牛顿液体，,分布曲线则较抛物线平坦。n愈小，管中心部分的速度分布愈平坦，

曲线形状类似于柱塞，故称这种流动为“柱塞流动”(Plugflow)。第19页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3聚合物流体在管和槽中的流动应用：柱塞流动中聚合物不易得到良好混合。题:若拥挤出的方法对聚合物进行染色，PE、PP那个容易？

第20页，共47页，2023年，2月20日，星期三

2、聚合物液体在狭缝中的等温流动

狭缝的概念：宽＞＞厚10如板、片口模；管模R0≈Ri与在管中的思路一样：取单元---受力分析---得τ；再依速率是速度梯度，积分得速度分布。推导流体在狭缝中的剪切应力分布方程和流速分布程第21页，共47页，2023年，2月20日，星期三

液柱单元受到的推动力为F1-F2=2WhΔp′，受到上、下两液层的摩擦阻力为F3=2Wdlτh，在达到稳态流动后，有2Wdlτh=2WhΔp′。2Wdlτh=2WhΔp′推导剪切应力分布方程：整理这样分布第22页，共47页，2023年，2月20日，星期三2聚合物液体在狭缝中的等温流动

剪切速率分布为：牛顿流体？将式代入，整理这样分布与应力分布相同第23页，共47页，2023年，2月20日，星期三推导流速分布方程将式代入，整理积分这样分布第24页，共47页，2023年，2月20日，星期三2、

聚合物液体在狭缝中的等温流动特点：a、等速线平行于长边，并且沿断面宽度W的大部分彼此平行，这一部分为一维流动；b、在狭缝的两个边缘区域等速线呈对称的弯曲线，这两个区域流体的流速不仅沿着y轴变化，而且沿着x轴变化，因此为二维流动。平行板狭缝通道中聚合物的速度分布：第25页，共47页，2023年，2月20日，星期三3、聚合物流体的拖曳流动和收敛流动拖拽流动挤出机中：螺槽的三个面相对静止，料筒壁相对螺槽运动，

方向为Z即出料方向-------------的物料：在螺槽的三个壁面上υ=0；在料筒壁上流速最

大且=料筒移动速度这部粉料流称拖拽流

还有一部分压力流合流第26页，共47页，2023年，2月20日，星期三3、聚合物流体的拖曳流动和收敛流动拖拽流QD压力流QP漏流QL环流总流率=QD-QP-QL第27页，共47页，2023年，2月20日，星期三3、聚合物流体的拖曳流动和收敛流动收敛流动对于大多数聚合物，剪切时：

拉伸时：这个特性对纺丝吹膜以及材料的热成型均有利第28页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为

大多数聚合物在流动中除表现为粘性行为外，还不同程度地表现出弹性行为。其中最常见的弹性行为有端末效应和不稳定流动及熔体破裂现象。(与上一章爬杆等对应，在工程管道中)一、端末效应

1、入口效应2、离模膨胀效应（巴拉斯效应）第29页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为1.入口效应

聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象。熔体从大直径管道进入小直径管道，需经一定距离Le后方能稳态流动。聚合物流体在管道入口区域和出口区域的流动Le——入口效应区长度，不同的聚合物和不同直径的管道，入口效应区长度不相同。Le/D，表征产生入口效应范围的大小。PP0P0小于P0第30页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为实验证明层流条件下产生入口效应的原因：①.速度重排：聚合物以收敛方式进入小直径管时，为保持体积流率不变，如果管壁处的流速仍保持为零就只有增大熔体内的速度梯度，才能满足调整流速的要求，为此只有消耗适当的能量才能增大速度梯度；加之随流速的增大，流动的动能也相应增大，这也使能量的消耗增多；②.弹性效应：熔体内的剪切速率增大，迫使聚合物大分子更大和更快的变形，而这种具有高弹性特征的形变，需克服分子内和分子间的作用力，也要消耗一定的能量。对牛顿型流体，Le约为0.05DRe非牛顿型的假塑性流体，Le在0.03～0.05DReRe——为雷诺数。第31页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为内经不变的管PP0P0小于P0

考虑流体入口效应后压力降的计算：将入口端的额外压力降看成是一段“相当长度”管道所引起的压力降。计算压力降时：长度为(L+6R)或(L+3D)这是比较粗略的计算，

入口压力降计算相当长度第32页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为2.离模膨胀效应（即巴拉斯效应）——当聚合物熔体流出流道时，熔流发生体积膨胀的现象叫做离模膨胀效应。聚合物流体在管道入口区域和出口区域的流动离模膨胀特征：熔体刚脱离流道时，先发生很短一段的体积收缩（收缩比Ds／D≈0.7），然后才发生体积膨胀。收缩的原因：主要是速度再调整引起的。流体在管中流动时，径向速度是不等的，由于管壁的约束，离开管壁时，失去了约束，径向速度重新调整成等速，平均速度增大了。

流量=υ×截面积

速度增大，截面积缩小，直径减小，收缩。第33页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为膨胀比B=Df/D（制品的直径比口模直径）对于圆形流道的聚合物熔体，其相对膨胀率在30％～100％。

离模膨胀被解释为：弹性恢复df第34页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为（1）剪切应力和剪切速率：当剪切速率较低时，随着剪切速率的提高，B提高，当剪切速率达到一定值后B下降。B开始下降时所对应的剪切速率称为临界剪切速率，当剪切速率超过临界剪切速率后，熔体会产生不稳定流动。（2）温度：在剪切速率相同情况下，温度提高，B下降，少数如PVC会使B上升。影响离模膨胀的因素：第35页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为（3）管道直径和管长：增加管子直径、提高管子的长径比和减小入口端的收敛角，都会减少液体中的可逆形变，使B下降。

（4）如果截面形状不对称的管道，如平行狭缝管道，厚度方向的B大于宽度方向的B，且前者是后者的平方倍（5）粘度大，分子量分布窄，非牛顿性强的液体，在流动中易储存弹性，膨胀严重，制品易变形，有内应力。第36页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为对加工不利：

巴拉斯效应的存在对成型是很不利的，特别是在注射成型、挤出成型中，将可能导致制品变形和扭曲，降低制品的尺寸稳定性，并可能在制品中引入内应力，降低其物理力学性能。消除方法：增加口模平直部分长度，适当降低成型压力和提高成型温度，对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸，均有利于消除或减小由于巴拉斯效应所带来的不利影响。第37页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为二、不稳定流动和熔体破裂现象

剪切速率增加不规则破碎螺旋形竹节形鲨鱼皮状现象：第38页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为可能的原因：壁上滑移；剪切速率大时、及各种原因引起的η壁降低；弹性恢复；入口端的旋涡流动；非牛顿性愈强的线形聚合物(聚丙烯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等)，由于流速分布曲线呈柱塞形，液体在入口区域和管子中流动时的剪切作用是引起不稳定流动的主要原因。非牛顿性较弱的聚合物(聚酯和低密度聚乙烯等)，流速分布曲线是近抛物线型，因而入口端容易产生旋涡流动，流动历史的差异是这类聚合物产生不稳定流动的主要原因。第39页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为

引起不稳定流动的剪切应力和剪切速率分别称为临界切应力和临界剪切速率。部分聚合物的临界剪切应力和临界剪切速率第40页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为影响因素：分子量与临界剪切应力第41页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为

因此，对聚合物进行注射成型时，可用的温度下限不是流动温度，而是产生不稳定流动的温度。

温度与临界剪切应力第42页，共47页，2023年，2月20日，星期三入口收敛角与临界剪切应力通常收敛角均小于100，常在40左右2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为入口收敛角第43页，共47页，2023年，2月20日，星期三2.3.2聚合物流体流动过程的弹性行为弹性效应对制品性能的影响:影响：产生内应力，翘曲变形甚至开裂。