聚合物的流变性质课件.ppt

1、第二节 聚合物液体流动过程的弹性行为 多数聚合物在流动中除表现出粘性行为外，不同多数聚合物在流动中除表现出粘性行为外，不同程度的表现出程度的表现出弹性行为弹性行为。 聚合物流动过程中最常见的弹性行为是聚合物流动过程中最常见的弹性行为是端末效应端末效应和和不稳定流动。不稳定流动。端末效应端末效应：聚合物熔体在管子进口端与出口端这种与聚合物：聚合物熔体在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叫做端末效应。它包括液体弹性行为有紧密联系的现象叫做端末效应。它包括入入口效应口效应和和模口膨化效应模口膨化效应。 不稳定流动不稳定流动：高分子熔体挤出时，如果剪切速率超过某一极：高分子熔体

2、挤出时，如果剪切速率超过某一极限值时，从口模出来的挤出物就不是平滑的，会出现表面限值时，从口模出来的挤出物就不是平滑的，会出现表面粗糙、起伏不平、有螺旋波纹、挤出物扭曲甚至为碎块状。粗糙、起伏不平、有螺旋波纹、挤出物扭曲甚至为碎块状。这种现象成为不稳定流动或熔体破裂这种现象成为不稳定流动或熔体破裂。一、端末效应聚合物在入口端和出口端的流动行为 一、端末效应一、端末效应n（一）入口效应（一）入口效应 被挤压的高聚物熔体通过一个狭窄的口模，即使口模通被挤压的高聚物熔体通过一个狭窄的口模，即使口模通道很短，也会有明显的压力降。这种现象称为入口效应。道很短，也会有明显的压力降。这种现象称为入口效应。

3、1 1、产生原因、产生原因 1 1）聚合物液体以收敛流动的方式进入小管时，为保持）聚合物液体以收敛流动的方式进入小管时，为保持恒定流率，只有调整流体中各部分流速才能适应管口突恒定流率，只有调整流体中各部分流速才能适应管口突然减小的情况。然减小的情况。 如果管壁上的流速仍为零，则只有增大液体中的剪切如果管壁上的流速仍为零，则只有增大液体中的剪切速率才能满足速度调整的要求，需要消耗能量来提高剪速率才能满足速度调整的要求，需要消耗能量来提高剪应力和压力梯度。应力和压力梯度。 2 2）液体中增大的剪切速率使大分子产生更大、更）液体中增大的剪切速率使大分子产生更大、更快的形变，使大分子沿流动方向伸展取向

4、，分子的快的形变，使大分子沿流动方向伸展取向，分子的这种高弹形变要克服分子内和分子间的作用力也要这种高弹形变要克服分子内和分子间的作用力也要消耗一定的能量。引起压力的降低。消耗一定的能量。引起压力的降低。2 2、聚合物入口效应的表征、聚合物入口效应的表征 对于不同的聚合物、不同直径的管子入口效应区域也不同。对于不同的聚合物、不同直径的管子入口效应区域也不同。 使用入口效应区域长度使用入口效应区域长度Le与管子直径与管子直径D的比值的比值Le/D来表示产生来表示产生入口效应区域的范围。入口效应区域的范围。实验测得，层流条件下，牛顿流体的实验测得，层流条件下，牛顿流体的Le约为约为0.05DRe；

5、非牛顿；非牛顿假塑性流体的假塑性流体的Le约为约为0.030.05DRe。（二）出口膨化效应（离模膨胀）（二）出口膨化效应（离模膨胀） 聚合物液体在流出管口时，液流的直径并不等于管子聚合物液体在流出管口时，液流的直径并不等于管子的直径，出现两种相反的情况：的直径，出现两种相反的情况：粘度低粘度低的牛顿液体通常液的牛顿液体通常液流缩小变细；对流缩小变细；对粘弹性粘弹性聚合物熔体，液流直径增大膨胀。聚合物熔体，液流直径增大膨胀。后一种现象称为挤出物胀大。后一种现象称为挤出物胀大。 使用使用膨胀比膨胀比来表征膨胀的程度，它的定义是：液流离来表征膨胀的程度，它的定义是：液流离开管口后自然流动（无拉伸时

6、）时膨胀的最大直径开管口后自然流动（无拉伸时）时膨胀的最大直径Df对管子出口端直径对管子出口端直径D之比。用之比。用 Df/ D表示。表示。1、产生机理（1）高聚物流动过程中的伸展取向（取向效应） 高聚物熔体流动期间处于高剪切场内，大分子在流动方向取向。而在口模处发生解取向，引起离模膨胀。（2）液流中的正应力（正应力效应） 由于粘弹性流体的剪切变形，在垂直剪切方向上存在正应力作用，引起离模膨胀。（3）当高聚物熔体由大截面的流道进入小直径口模时，产生了弹性变形。熔体被解除边界约束离开口模时，弹性变形获得恢复，引起离模膨胀。 如果如果Ls段较长段较长，即，即长径比长径比L/D很大（如大于很大（如大

7、于16）时，即）时，即入口效应引起的应变在液体流经入口效应引起的应变在液体流经Ls时有足够的时间得到时有足够的时间得到松弛，这样贮存于液体中的弹性能大部分都在流动中消松弛，这样贮存于液体中的弹性能大部分都在流动中消散了。散了。 出口膨胀的出口膨胀的主要因素主要因素就是液体中的正压力差和剪切就是液体中的正压力差和剪切流动中贮存的弹性能。流动中贮存的弹性能。 若L/D小，即松弛时间太短，入口效应所贮存的可逆应变成分在到达管口之前来不及完全松弛，伸展的分子回复卷曲构象，使液体产生轴向收缩和显著的径向膨胀。影响入口效应和离模膨胀效应的因素影响入口效应和离模膨胀效应的因素（1）相对分子量和相对分子量分布

8、）相对分子量和相对分子量分布（2）剪应力和剪切速率）剪应力和剪切速率（3）模量）模量（4）温度）温度（5）管道的几何形状）管道的几何形状 二、不稳定流动和熔体破裂二、不稳定流动和熔体破裂 几种典型的熔体破裂现象产生原因产生原因1 1、液体流动时在管壁上产生的滑移、液体流动时在管壁上产生的滑移 液体流动时在管壁附近的剪切速率最大，由于粘度对剪液体流动时在管壁附近的剪切速率最大，由于粘度对剪切速率的依赖性，管壁附近液体的粘度必然较低；流动过切速率的依赖性，管壁附近液体的粘度必然较低；流动过程中的分级效应也使聚合物中分子量较低的级分向管壁移程中的分级效应也使聚合物中分子量较低的级分向管壁移动，从而使

9、管壁附近的液体粘滞性降低，易引起液体在管动，从而使管壁附近的液体粘滞性降低，易引起液体在管壁上的滑移，使液体的流速增加。壁上的滑移，使液体的流速增加。2、液体中的弹性回复 剪切速率的不均匀性使液体中弹性能的分布沿径向方向存在差异，剪切速率大的区域聚合物分子的弹性形变和弹性能的贮存较多，液体中的弹性能的不均匀分布导致在大致平行于速度梯度的方向上产生弹性应力。 产生原因：产生原因： 管壁上某处形成低粘度层时，伴管壁上某处形成低粘度层时，伴随弹性回复滑移作用使管中流速分布随弹性回复滑移作用使管中流速分布发生改变，产生滑移区域的液体流速发生改变，产生滑移区域的液体流速增加，层流被破坏，一定时间内通过增

10、加，层流被破坏，一定时间内通过滑移区的液体增加，总流率增大。液滑移区的液体增加，总流率增大。液体流速在某处的瞬时增大，是由弹性体流速在某处的瞬时增大，是由弹性效应所致，所以又称这种流动为效应所致，所以又称这种流动为“弹弹性湍流性湍流”也称也称“应力破碎应力破碎”. .3 3、液体的剪切历史差异、液体的剪切历史差异 液体在液体在入口区域入口区域和和管子中管子中流动时，受到的流动时，受到的剪切作用不一样剪切作用不一样，因而能引起液流中因而能引起液流中产生不均匀的弹性回复产生不均匀的弹性回复。 当它们流过管道并留出管口时，可能引起极不一致的弹性当它们流过管道并留出管口时，可能引起极不一致的弹性回复，

11、若这种弹性回复力很大，以致能克服液体的粘滞阻力回复，若这种弹性回复力很大，以致能克服液体的粘滞阻力时，就能引起挤出物畸变和断裂。时，就能引起挤出物畸变和断裂。不稳定流动和熔体破裂现象的影响因素不稳定流动和熔体破裂现象的影响因素 聚合物的性质、剪应力及剪切速率的大小、液体聚合物的性质、剪应力及剪切速率的大小、液体流动管道的几何形状流动管道的几何形状 非牛顿性非牛顿性愈强的线性聚合物（愈强的线性聚合物（PP、HDPE、PVC）其）其流速分布曲线呈柱塞形，液体在入口区和管子中流动时流速分布曲线呈柱塞形，液体在入口区和管子中流动时的的剪切作用剪切作用是引起不稳定流动主要原因。是引起不稳定流动主要原因。

12、 非牛顿性较弱非牛顿性较弱的聚合物（的聚合物（PET、LDPE）其流速分布曲线）其流速分布曲线是近似于抛物线形的，入口端容易产生旋涡流动，是近似于抛物线形的，入口端容易产生旋涡流动，流动流动历史的差异历史的差异是这类聚合物产生不稳定流动的主要原因。是这类聚合物产生不稳定流动的主要原因。聚合物 T, c ,10-5N/m2c S-1聚合物T, c ,10-5N/m2c S-1LDPEHDPEPS1581902101901701900.570.700.803.60.80.9140405841100050300PP2101802002402601.01.01.01.01.01000250350100

13、01200某些聚合物产生不稳定流动时的临界剪应力和临界剪切速率尼龙-66的熔体牛顿性较强，在105秒-1的剪切速率下出现熔体破裂，而聚乙烯的非牛顿性强，在102-103秒-1就出现熔体破裂。 随着分子量增加和分子量分布变窄，出现不稳定流动的临界剪切应力c值降低，分子量对c值的影响 提高聚合物熔体温度使出现不稳定流动的极限剪切速率和极限剪应力增加。 剪切速率比剪应力对温度更敏感。所以对注射成型来说，可用的下限温度不是流动温度而是产生不稳定流动的温度聚合物熔体温度对c值的影响 通常收敛角都小于10，常在4左右。管道几何形状的影响减小流道的收敛角，适当增加流道的长径比L/D,使流道表面流线型化，可使c值增加。