聚合物加工基础-3流动与形变.pptVIP

这些现象表明: 在低剪切应力或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控制，而在高剪切应力或剪切速率时，液体中的扰动难以控制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏，这种现象称为“熔体破裂”。 出现“熔体破裂”时的剪切应力或剪切速率 称为临界剪切应力和或临界剪切速率。 高分子流体粘度高，粘滞阻力大，在高剪切速率下，弹性形变增大，当弹性形变的储能达到或超过粘滞阻力的流动能量时导致不稳定流动 熔体破裂的一个原因 流体在流动时出现滑移和流体中的弹性回复,最终造成弹性应力与粘性流动阻力的不平衡 熔体破裂的原因 当流体处于稳态流动时，具有正常的沿管轴对称的速度分布，并得到直线形表面光滑的挤出物(见a)。 滑移与弹性回复的作用: 流体在管道中流动时管壁附近的剪切速率最大。由于粘度对剪切速率的依赖性，所以管壁附近的液体必然只有较低的粘度，同时流动过程的分级效应又使聚合物中低分子量级分较多地集中到管壁附近。 以上两种作用都使管壁附近的流体粘滞性降低，从而容易引起流体在管壁上滑移。 流体出现管壁滑移 剪切速率大的区域聚合物分子的弹性形变和弹性能储存较多，液体中的弹性能的不均匀分布导致在速度梯度的平行方向上产生弹性应力。 滑移使管壁处流体流速增大，最终造成流体的剪切速度分布发生变化 由于剪切速率分布的不均匀性，流体中弹性能的分布沿径向上也存在差异 所以随着剪切速率增大，当液体中产生的弹性应力增加,当增加到与粘性流动阻力相当时，粘性阻力不能再平衡弹性应力的作用，液体中弹性应力间的平衡即遭破坏，随即发生弹性回复作用。 弹性应力与粘性流动阻力的平衡性 管壁附近的液体粘度最低，弹性回复作用在这里受到的粘滞阻力也最小，所以弹性回复较容易在管壁附近发生。 可见，流体通过自身的滑移就使流体中的弹性得到回复。 当管壁某一区域形成低粘度层时，伴随弹性回复滑移作用使管子中的速度分布发生改变，产生滑移区域的液体流速增加，压力降减小，层流流动被破坏，一定时间内通过滑移区域的流体增多，总流率增大(见b)； 当新的弹性形变发生并建立起新的弹性应力平衡后，这一区域的流速分布又回复到如图a的正常状态，然后液体中的压力降重新升高。 与此同时，管中另外的区域有时会出现上述类似的滑移－流速增大－应力平衡破坏的过程。 流体流速在某一区域的瞬时增大并非雷诺数增大引起，而是弹性效应所致，所以又称这种流动为“弹性湍流”。 在圆管中，如果产生弹性湍流的不稳定点沿着管的周围移动，则挤出物将呈螺旋状，如果不稳定点在整个圆周上产生，就得到竹节状的粗糙挤出物 波浪形 鲨鱼皮形 竹节形 螺旋形 不规则破碎形 流体在入口区域和管中流动时，受到的剪切作用不一样，因而能引起流体中产生不均匀的弹性回复。 产生不稳定流动和熔体破裂现象的另一个原因 是流体剪切历史的差异引起的 另一方面，在入口端收敛角以外区域存在着旋涡流动，这部分流体与其它部分的流体相比较，受到不同的剪切作用。 当旋涡中的流体周期性进入管道时，这种剪切历史不同的流体能引起流线的中断，当它们流过管时，就可能引起极不一致的弹性回复，如果这种弹性回复力很大，以致能克服流体的粘滞阻力时，就能引起挤出物出现畸变和断裂。 可以看出，熔体破裂现象是聚合物流体产生弹性应变与弹性回复的总结果，是一种整体现象。 不稳定流动现象将限制挤出速率的进一步提高。 过分提高挤出速率会使制品外观和内在质量受到 不良影响。 注意 聚合物本身性质、剪切应力和剪切速率、流体流动 管道的形状等。 影响不稳定流动的因素 在拉伸作用下，聚合物流体会产生很大的拉伸应变，和剪切粘度的形式类似，我们用拉伸粘度来表示流体对拉伸流动的阻力： 在低应变或低应力下，拉伸粘度是不依赖应力或应变速率的（P52），在高应变或高应力下，拉伸粘度会出现两种不同的结果： （1）拉伸变稀，原因是分子链缠结浓度的降低。 （2）拉伸变硬：例如 PS、LDPE。原因是大分子链的取向伸直、平行排列的分子较无序排列的分子更具有更强的抗拉伸性。 拉伸粘度的影响因素 因为拉伸粘度随着应力或应变速率而增大，则增大的粘度将使成型中制品的薄弱成分或应力集中区域不至于在张应力的作用下产生破坏，从而能获得形变均匀的产品。 聚合物拉伸流动过程粘度增大的特性在很大程度上决定了聚合物能在恒温条件下纺丝或成膜。 这一特性，对纤维纺丝、吹塑薄膜、拉伸薄膜、片材的热成型等十分有