高分子材料成形工艺高分子成形流变学基础
高分子材料流变学5-典型加工成型过程的流变分析
v x v y 0 x y
（7-1）
对于牛顿型流体，只有粘性而无弹性，因此应力张量中法 向应力分量等于零（ xx yy zz 0 ），切向应力分量中 由于z方向为中性方向 ，故只有 yx xy 0 。忽略重力和 惯性力，运动方程记为 ：
x方向 y方向 p yx 0 x y p xy 0 y x
1.4.3 辊筒间物料的速度分布 将压力梯度公式（7-15）代入速度公式（7-7），并用变量 x' 代换x，y' 代换y。y ' 定义为：
y y y 1 h H 0 (1 x 2 )
（7-23）
得到无量纲速度分布公式：
v x 2 32 (1 y 2 ) x 2 (1 3 y 2 ) v 2(1 x 2 )
h H0 (R R2 x2 )
（7-10）
在 R>>x的流道内，展开(R2- x2)1/2有：
(R x )
2 2
1 2
R (1
x2 R
) 2
1
2
1 x2 R (1 ) 2 2R
（7-11） （7-12）
所以
x2 x2 h H0 H 0 (1 ) 2R 2 RH 0
p 欲求压力梯度x
，需先求出体积流量Q。 （7-8）
h 2 p Q 2 v x dy 2h(v ) 0 30 x
h
∴
p 30 Q 2 (v ) x h 2h
（7-9）
p 可见压力梯度 x 仅为
x 的函数 [ 隐含在h(x) 中]，但函数关 系不够明确。从几何关系得知（参看图7-2）：
（7-24）
高分子材料加工工艺聚合物流变学基础
A.含义：在定温下表观粘度随剪切持续时间延长而增大的液体称为摇凝性液体。 B.原因：主要原因是溶液中不对称的粒子（椭球形线团）在剪切应力场的速度作用下取向排列形成暂时 次价交联点所致，这种绨合使粘度不断增加，最后形成凝胶状，只要外力作用一停止，暂时交联点就消除，粘 度重新降低。
应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。（单位长度的形变量） 根据受力方式不同，通常有三种类型：剪切应变（γ）、拉伸应变（ε）和流体静压力的均匀压缩
剪切速率
表示单位时间内的剪切应变
拉伸速率 牛顿粘度
表示单位时间内的拉伸应变
为比例常数，称为牛顿粘度。是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力 引起流动变形的能力。液体不同，粘度值不同与分子结构和温度有关，单位（
高分子材料加工工艺聚合物流 变学基础
流变学 流动+形变
高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体 • （2）非牛顿流体 • 凡不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
应力：单位面积上所受的力称为应力。 根据受力方式不同，通常有三种主要类型：剪切应力（τ）、拉伸应力（б）和流体静压力（P）
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移，而是链段的相继蠕动来实现的。类似于蛇的蠕动。链段的尺寸大 小约含几十个主链原子。
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随剪切速率或剪切应力的大小而改变。 • 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流动性。
• 聚合物在流动过程中所发生的形变一部分是可逆的，因为聚合物的流动并不是高分子链之间简单的相对滑 移的结果，而是链段分段运动的总结果，这样在外力作用下，高分子链不可避免地要顺外力方向有所伸展 ，聚合物进行黏性流动时，必然伴随高弹形变。在外力消除后，高分子链又要卷曲起来。
高分子材料加工工艺聚合物流变学基础
• 高分子流动不是简单的整个分子的迁移， 而是链段的相继蠕动来实现的。类似于 蛇的蠕动。链段的尺寸大小约含几十个 主链原子。
• 2.高分子流动不符合牛顿流体的流动规律
• 流动不复合牛顿流体的运动规律。粘度随 剪切速率或剪切应力的大小而改变。
• 这个优点利于我们通过改变螺杆转速、压 力等工艺参数调节熔体的粘度、改善其流 动性。
与时间有关的黏性流体
• 判断以下液体属于哪类非牛顿流体： • ①PE熔体 • ②PVC高浓度悬浮液 • ③玉米粉 • ④PVC糊的凝胶液 • ⑤牙膏 • ⑥油漆 • ⑦石膏 • ⑧果冻
第一节 高分子熔体流变行为
• 2 流பைடு நூலகம்类型
• （1）层流和湍流
• 聚合物成型时，高粘度熔体呈现层流状态，雷诺准数 Re≤1.但在特殊情况，如小浇口熔体注射进入大型腔时。 出现湍流，熔体破碎
一 聚合物流变学基础
第一节 高分子熔体流变行为 第二节 高分子熔体黏性流动及影响因素 第三节 高分子熔体的弹性行为及影响因素 第四节 高分子材料加工中的聚集态
流变学 流动+形变 高分子材料加工流变学？
第一节 高分子熔体流变行为
• 1 非牛顿型流动 • （1）牛顿流体 • 服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流
A dr
dr
dt
dt
牛顿流体流动时的应力-应变关系和粘度对剪切速率的依赖性
• 非牛顿流体
假塑性流体 无屈服应力
与时间无关
膨胀性流体
有屈服应力—宾汉流体
黏性流体
非牛顿流体
触变性流体 与时间有关
摇凝性流体
黏弹性流体
不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流体
高分子材料加工原理第五章
(2)纺丝流体从喷丝孔中的剪切流动
向纺丝线上的拉伸流动的转化
(3)流体丝条的单轴拉伸流动
(4)纤维的固化
（二）纤维成型过程中成纤聚合物的变化
(1)几何形态变化 (do (2)物理形态变化 ①宏观状态参数 T-X (温度场) Ci-X (浓度场) ②微观状态参数 取向度 结晶度 网络结构 V-X (速度场) P-X (应力场) dx)
ρxAxVx=常数
T(x)：由补偿式接 触温度计、红外线 拍照等确定 ρ(T) ① 高速摄影法 不发生 结晶时
ρx ≈ K Vx
dx： ②取样器取样法确定
③ 激光衍射法
έ(x) =
dVx dx
Test stand for temperature and velocity measurement: Infrared Camera and Laser Doppler Anemometer
(3)化学结构变化
（三）纺丝过程的基本规律
1.在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态 和连续的.
纺丝线:熔体挤出细流和固化初生纤维的总称. 稳态： , T , Ci , P, 0
t
连续：在稳态纺丝条件下，纺程上各点
每一瞬时所流经的聚合物质量相等（流动
连续性方程) : 熔体纺丝 溶液纺丝 ρxAxVx=常数 ρxAxVxCix=常数
2.纺丝线上的主要成形区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸
3.纺丝过程是一个状态参数连续 变化的非平 衡态动力学过程 同 一时间不同位置V 、 T 、 Ci 、 P 等连续变化.
4.纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程
动能传递、传热、传质、结构参数变化等.
(四)纺丝流体的可纺性
高分子流变学基础
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
1
1.引言
高分子液体流动时所表现的粘弹性，与通常所说 的理想固体的弹性和理想液体的粘性大不相同， 也不是二者的简单组合。
Hook 定律
E Gy (2 1)
Newton 粘性定律
高分子材料流变学 第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质 7
2.基本物理量
2.1.1 牵引力和应力张量 首先考察流变过程中物体内 一点P 的应力。 在物体内取一小封闭曲面S， 令P 点位于曲面S 外表面的 面元δ S 上（法线为n，指 向S曲面外部），考察封闭 曲面S 外的物质通过面元 δ S 对曲面 S内物质的作用 力。
T11 T12
T13 n1
t 2 T21 T22 T23 n2 T31 T32 T33 n 3
11
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
2.基本物理量
或者简单地
t1 t3
n1 (i, j 1,2.3) n3
t 2 (Tij ) n2
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
高分子液体是粘弹性流体，在剪切场中既有粘性 流动，又有弹性形变，一般情况下三个坐标轴方 向的法向应力分量Tij不相等，T11≠T22 ≠T33 ≠0
高分子材料流变学
第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质
24
2.基本物理量
同一个应力张量分解方法有多种结果,给出两种不同 的分解方法的例子 。
高分子材料流变学 第二章基本物理量和高分子液体的 基本液变性质 14
2.基本物理量
高分子材料成型加工习题参考答案
高分子材料成型加工习题参考答案(1~5章)绪论1、高分子材料可应用于哪些方面? 有哪些特点, 答:高分子材料可应用于如下各个方面:结构材料:机械零部件、机电壳体、轴承……电器材料:电缆、绝缘版、电器零件、家用电器、通讯器材…… 建筑材料:贴面板、地贴、塑料门窗、上下水管…… 包装材料:各种瓶罐、桶、塑料袋、薄膜、绳、带、泡沫塑料…… 日用制品:家具、餐具、玩具、文具、办公用品、体育用品及器材……交通运输:道路交通设施、车辆、船舶部件……医疗器械:医疗器具、药品包装、医药附件、人造器官…… 航天航空:飞机、火箭、飞船、卫星零部件……军用器械:武器装备、军事淹体、防护器材…… 交通运输:道路交通设施、车辆、船舶部件……医疗器械:医疗器具、药品包装、医药附件、人造器官…… 航天航空:飞机、火箭、飞船、卫星零部件……军用器械:武器装备、军事淹体、防护器材…… 化纤类:布、线、服装、……高分子材料具有如下特点:优点: a.原料价格低廉; b.加工成本低; c.重量轻; d.耐腐蚀;e.造型容易;f.保温性能优良;g.电绝缘性好。
缺点: a.精度差; b.耐热性差; c.易燃烧; d.强度差; e.耐溶剂性差; f.易老化2、塑料制品生产的完整工序有哪五步组成,答:成型加工完整工序共五个1.成型前准备:原料准备:筛选，干燥，配制，混合 ?2.成型:赋预聚合物一定型样 ?3.机械加工:车，削，刨，铣等。
?4.修饰:美化制品。
?5.装配: 粘合，焊接，机械连接等。
?说明:a 并不是所有制品的加工都要完整地完成此5个工序b 五个次序不能颠倒3、学习本课程的重点是什么,答:本课程的重点是:高分子材料方面:应掌握高分子材料定义，高分子材料工程特征，高分子材料及其制品的制备方法，高分子材料的组成，添加剂的作用、机理、品种及其选择，高分子材料配方设计原则，配方分析，影响高分子材料性能的化学因素和物理因素。
成型加工方面:应掌握高分子材料制品各种成型方法，成型加工过程，成型工艺特点，成型工艺的适应性，成型工艺流程，成型设备结构及作用原理，成型工艺条件及其控制，成型工艺在橡胶、塑料、纤维加工中的共性和特殊性。
高分子材料成型工艺
【课程简介】《高分子材料成型工艺》是高分子材料与工程专业主要专业课程之一。
它是在技术基础课（高分子化学、高分子物理、高分子材料、化工原理等）的基础上开设的。
与本课程相关的机械、模具等内容分别由高分子材料成型机械和高分子材料成型模具课讲授。
本课程以塑料材料成型工艺为主，阐述高分子材料成型基本理论以及成型所用物料的配制和各种成型工艺方法及原理。
【讲授内容与学时安排】总学时48第一章绪论 1个学时第二章聚合物成型的基础理论 10个学时第三章成型用物料及其配制 4个学时第四章压缩模塑 3个学时第五章挤出成型 6个学时第六章注射成型 6个学时第七章中空吹塑 3个学时第八章泡沫塑料成型 3个学时第九章压延成型 6个学时第十章热成型及其它 4个学时总结与讨论 2个学时【主要参考书】高分子材料成型加工原理王贵恒主编化学工业出版社2003年1月印刷聚合物成型加工新技术【美】詹姆士 F.史蒂文森编著刘廷华等译，化学工业出版社2004年9月印刷高分子材料基本加工工艺王加龙主编化学工业出版社2004年7月印刷实用塑料加工技术叶蕊主编金盾出版社2001年6月印刷塑料制品生产工艺手册吴培熙等编著化学工业出版社1998年5月印刷塑料工业实用手册第二版丁浩主编化学工业出版社2000年8月印刷第一章绪论【学时安排】1个学时【基本内容】1－1 高分子材料成型工艺在高分子工业体系中的地位从原料到制品生产流程制品生产的组成1－2 高分子材料成型工艺的发展概况移植时期改造时期创新时期1－3 成型加工技术分类1、按所属成型加工阶段划分一次成型技术二次成型技术二次加工技术2、按聚合物在成型加工过程中的变化划分以物理变化为主的成型加工技术以化学变化为主的成型加工技术物理和化学变化兼有的成型加工技术3、按成型加工的操作方式划分连续式成型加工技术间歇式成型加工技术周期式成型加工技术1－4 本课程的主要内容和要求本课程在学生具有了热力学、化学、力学、质量与能量的传递、高分子化学及高分子物理和高分子材料性能的基本知识的基础上进行的。
高分子材料流变学4塑料流变成型原理
高分子材料流变学4塑料流变成型原理塑料流变成型是一种将热塑性高分子材料加工成所需形状的方法。
这种加工方法非常重要，因为塑料是一种具有独特性能的材料，其成型能力直接影响到最终产品的质量和性能。
塑料流变成型的原理可以简单地理解为将热塑性高分子材料加热到玻璃化转变温度以上，使其变得可塑性，然后通过施加力和形状变化来实现成型。
具体来说，塑料流变成型涉及以下几个关键步骤：1.材料加热：将塑料原料以颗粒、粉末或片状等形式加载到加热设备中，并通过加热设备将其加热到玻璃化转变温度以上。
2.熔融：一旦塑料加热到足够高的温度，聚合物链之间的键会变得松弛，使得材料具有流动性。
这种高温下的塑料称为熔体，是进行塑料流变成型的基础。
3.施加力：在熔融状态下，施加外部力来给予材料以形状变化。
这种力可以通过模具、挤压机或注射机等设备施加。
施加力的方式取决于最终产品的形状要求。
4.成型：在施加力的同时，塑料熔体被带入模具中，使其填充模具中的空腔，形成最终产品的形状。
在模具中冷却后，塑料会重新固化，保持所需的形状。
5.产品冷却和固化：成型后的产品需要在模具中冷却，以使塑料重新固化，并保持成型后的形状。
冷却速度和时间取决于材料的特性和产品的尺寸。
塑料流变成型的原理主要通过控制塑料的温度和施加力的方式来实现。
温度可以改变材料的粘性和流动性，而施加力则可以驱使材料填充模具的空腔。
这种成型方式可以用于制造各种形状和尺寸的塑料制品，包括瓶子、盒子、零件等。
总的来说，塑料流变成型利用高温下塑料的可塑性和流动性来实现塑料制品的成型。
通过控制温度和施加适当的力，可以获得具有预期形状和性能的塑料制品。
塑料流变成型是一种重要的加工方法，广泛应用于工业生产和日常生活中。
高分子材料加工及流变学
高分子材料基础及加工流变学第一章材料科学概述材料(Materials)具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。
材料化过程(Material Process)由化学物质或原料转变成适于一定用场的材料，这一转变过程称为材料化过程（材料工艺过程）.材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。
大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料.材料可由一种物质或若干种物质构成.同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途不同—不同类型的材料.材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。
材料是全球新技术革命的四大标志之一:新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术未来新一代材料主要表现在：a. 既是结构材料又具有多种功能的材料；b. 具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料c. 制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；d. 充分利用自然资源，能循环作用的可再生材料；e. 少维修或不维修的长寿命材料。
第二章高分子材料的制备反应结构单元有时也称为单体单元 (Monomer unit)、重复单元 (Repeating unit)、链节 (Chain element)n 表示重复单元数，也称为链节数，在此等于聚合度,聚合度（Degree of polymerization）是衡量高分子大小的一个指标均聚物（Homopolymer）：只含有一种重复单元的聚合物。
共聚物（Copolymer）：含有两种以上重复单元的聚合物。
高分子化合物的基本特征:1.高分子的溶液性质——难溶，甚至不溶，溶解过程往往要经过溶胀阶段2.溶液粘度比同浓度的小分子高得多3.分子之间的作用力大,只有液态和固态,不能汽化4.高分子固态具有多种力学性质高分子材料的组成和成型加工:1.在成型加工过程中，物料的形态、结构都会发生显著变化，从而改变材料的性能。
2.当选择某种高分子材料时，不仅要考虑其潜在的优越性能，还必须考虑其成型加工工艺的可能性和难易。
高分子材料成形工艺 高分子成形的结构变化PPT课件
某些制品成形会发生后结晶和二次结晶：成形过 程残存的来不及结晶的非晶区域和晶体不完整部 分（比如晶间缺陷或不完善区域）
后结晶和二次结晶危害：影响制品的尺寸稳定性 和使用性能
生产中通常在 Tg ~ Tm 之间，控制在最大结晶速度温 度 Tmax对制品退火热处理
3.2.2 影响结晶的成形因素
成形过程结晶为动态结晶：非等温、外力（拉、剪和压）
方向的变化率
T T gradT lim ( )
n0 n n
不稳定温度场：当特定空间区域或物体内部存在 温度梯度时热量将从高温区向低温区传热，结果 温度梯度降低，各处温度渐趋均匀，温度场随时 间而改变
稳定温度场：当外界不断向温度较高的区域完全 相等地补充因热传导而散失的热量时，温度场可 不随时间而变化
3.1.3 反应固化
反应固化：成形前可以是线性高分子、低聚物或 单体，成形为所需形状的成形物（比如采用模压、 浇铸、挤出等）后置于较高温度下或施加其它能 量逐渐变成三维体形网络分子结构，成形物黏度 最终变得很大而被固定下来
反应固化是存在传热、同时可能存在传质的化学 过程
一、反应固化阶段
充分固化：热固性高分子制品的物理化学性能通 过交联达到最佳
1．熔融温度和熔融时间
熔融温度（通常为成形温度）高和熔融时间长：残存晶核 （或有序区域）越少，均质形核，因而结晶速度慢，形核 数较少且有先有后，晶粒尺寸不匀，较大尺寸晶粒，制品 性能差
熔融温度低和熔融时间短：残存晶核（或有序区域）多， 非均质形核，因而结晶速度快，晶粒数多且大体同时生长， 晶粒尺寸小而均匀，制品性能优良
化学纤维干法纺丝的传热传质过程与流涎薄膜成 形相似
干法成形过程是传质和传热同时存在的物理过程
二、湿法成形的传质固化
高分子材料成型加工
四章聚合物流变学基础1. 与低分子物相比，聚合物的黏性流动有何特点？答：绝大多数低分子物具有牛顿流体的性质，即其粘性仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关。
比如水、甘油等。
高分子稀溶液也是。
而大部分聚合物熔体属于非牛顿流体中的假塑性流体，随剪切力增加而变稀。
与低分子物相比，聚合物的粘性流动（流变行为，主要是指聚合物熔体，而不包括聚合物溶液）具有如下特征：（1）聚合物熔体流动时，外力作用发生粘性流动，同时表现出可逆的弹性形变。
（2）聚合物的流动并不是高分子链之间的简单滑移，而是运动单元依次跃迁的结果。
（3）它的流变行为强烈地依赖于聚合物本身的结构、分子量及其分布、温度、压力、时间、作用力的性质和大小等外界条件的影响。
（4）绝大数高分子成型加工都是粘流态下加工的，如挤出，注射，吹塑等。
（5）弹性形变及其后的松驰影响制品的外观，尺寸稳定性。
2. 什么是牛顿型流体和非牛顿型流体？使用流变方程和流动曲线说明非牛顿型流体的类型。
答：牛顿粘性定律：某些液体流动时切应力τ与切变率D之比为液体的粘度。
遵循牛顿粘性定律的液体称为牛顿流体,凡是流体运动时其切变率D与切应力τ不成线性关系的流体称为非牛顿流体。
η=K(dvx/dy)n= Kγn-1式中，K为稠度系数，N?S”／m ；为流体特性指数，无因次，表示与牛顿流体偏离的程度。
由方程式可见：① 当n=1时，η=K，即K 具有粘度的因次．此时流体为牛顿流体；② 当η<1时，为假塑性或剪切变稀流体；③ 当η>l时，为膨胀塑性或剪切增稠流体；④当剪切应力高于流动前的剪切屈服应力的流体叫宾哈流体3. 何为表观黏度？试述大部分聚合物熔体为假塑性流体的理由。
答：表观黏度为非牛顿流体剪切应力，即剪切速率曲线上的任一点所对应的剪切应力除以剪切速率。
因为大部分的聚合物是热塑性塑料而热塑性塑料的剪切速率在10-104S-1。
流动曲线是非线性的，剪切速率的增加比剪切应力增加的快，并且不存在屈服应力，流体特征是黏度随剪切速率或剪切应力的增大而降低。
高分子材料流变学5-典型加工成型过程的流变分析
（7-15）
式中引入一个参量λ，定义为：
2
Q 1 2vH 0
（7-16）
λ是非常重要的参数。λ的意义为，当无量纲坐标 x 时， p 0 ，即为两辊筒间物料内的压力取极值的位臵。 x
后面的分析将表明，在 x 处，辊筒间物料内的压力取极 大值；在 x 处，压力取极小值。极小值的位臵就是胶料 脱辊处（脱辊时，物料内的压力为常压 p 0 0 ）。由此可见， λ值就是胶料脱辊处的无量纲坐标值，是一个可以测量的参 数，它与胶料性质及工艺操作条件有关。
p 区域（进料区）：x 0 ，形成反压力流。各
( x* ) 2 22 2 0
(7-26)
x x * 区域，流速分布呈现更复杂情形。各层物料有的 在
向前流，有的向后流，正负流速并存，从而形成物料的旋 转运动（涡流）。这种旋转运动对橡胶混炼工艺是有益的， 混炼时在此处加入配合剂，有助于物料均匀分散。 显然驻点的位臵与具体操作条件及物料性质（λ值）有关， 可根据需要加以调节。比如在压延工艺中不希望有物料大 涡流（旋转运动）存在。为便于吃料和进行补充混炼，一般 在喂料辊入口处，希望有少量堆料；而为使贴胶平整，在 工作辊入口处应排除涡流。
积分（7-15）式求得辊筒间的压力分布公式：
p( x, )
0 v 18R
H0
x 2 2 (1 x 2 ) 3 dx H0
（7-17）
0 v
H0
9R [G ( x, ) C ] 32 H 0
式中
x2 1 52 32 x2 G ( x, ) [ ] x (1 32 )arctgx (1 x2 ) 2
一方面通过掌握成型加工过程中物料内部力场和
成型工艺学第一章高聚物的加工流变学
②第二流动区（是高聚物液体表现为非牛顿性流动的区域） ⅰ.主要特征： A..液体中大分子的构象发生变化、分子束与晶粒尺寸发生改变
等。 B. ㏒τ～㏒ 曲线发生弯曲，表观粘度发生变化;粘度的变化趋 势：“切力变稀”和“切力增稠”。
ⅱ. “切力变稀”现象(是熔体、溶液及悬浮液流变行为的特征) A. “切力变稀” η～ 从τ～ 图或 图中均可看到曲线偏离牛顿流动曲线而向下弯 曲，熔体表观粘度随 增大而降低的现象。 B. 假塑性流体：由于曲线在弯曲的起始阶段有类似塑性流动的 行为，所以称这种流动为假塑性流动，具有假塑性流动行为（切力变 稀）的流体称为假塑性流体。
3．非牛顿流体的流动行为特征
（1） τ 和 有依赖性。
间通常不呈比例关系，因而剪切粘度对剪切作用
（2）非牛顿性是粘性和弹性行为的综合，流动过程包含可逆 形变和不可逆形变两种成分。
图1-2-5 非牛顿流体的应力-应变关系
4．粘性液体及指数定律 （1）指数定律方程（反映粘性液体流变性质的经验 性数学关系式） ⅰ. 粘性液体的指数定律 高聚物粘性液体在定温下于给定的剪切速率范围内 流动时，剪切应力和 剪切速率具有指数函数的关系。 ⅱ. 粘性液体指数定律方程
=K (
dv n d n ) = K( )n =K dt dr
K n =
(1-2-6) (1-2-7)
ηa =
=
K
n1
式（1-2-6）和式（1-2-7）中，K 和n 均为 常数，系非牛顿参数。 A. K相当于牛顿流体的流动粘度 μ，是液体 粘稠性的一种量度，称为粘度系数(稠度)。 B. n称为流动指数(非牛顿指数)，用来表征 液体偏离牛顿型流动的程度。 当n =1时，与牛顿流体流动方程完全相同， 该液体具有牛顿流体的流动行为。 当n ﹥1和 n﹤1时，说明该液体不是牛顿液 体，n值偏离1越远，液体的非牛顿性越强。 C. 表观粘度ηa ηa与温度和物质的本性有关，还与 等有关。
有机高分子材料成形加工技术基础PPT课件
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3. 流动性——黏度
定义 ： 聚合物的流动性与铸造合金的流动性概念相似，即是指在一定温度与压力 下聚合物充填模腔的能力。
影响因素： 1、工艺 2、聚合物结构 3、模具的影响 4、聚合物品质的影响 （粒度均匀、适度、含水量）
加工条件 结构因素
温度 ↓ 剪切速率↓ 压力 ↓
挤出胀大现象及其说明
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2、不稳定流动和熔体破裂现象
高分子熔体从 口模挤出时，当 挤出速率（或剪 切应力）超过某 一临界剪切速率 （或临界剪切应 力），容易出现 弹性湍流，导致 流动不稳定，挤 出物表面粗糙。
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•鲨鱼皮形 •波浪形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
3、“爬杆”现象
结晶型﹥非结晶型
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3、影响成形收缩的因素
（1）聚合物品种的影响；
热塑﹥热固；结晶型﹥非结晶型
（2）聚合物制品特性的影响；
（3）模具的影响； （4）成形条件的影响。
温度↑ 压力↓ 保压时间↓
4、收缩率的计算
Ｓｃｐ＝［（ＬＭ－Ｌｓ）／Ｌｓ］×１００％ 式中，Ｓｃｐ为平均收缩率；ＬＭ为模腔在室温下的单向尺寸； Ｌｓ为聚合物制品在室温下的单向尺寸。
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谢谢大家!
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• 作业: • 1、聚合物的物理状态与温度的关系？聚合物在不同物理状态下的加工技
术有何不同？ • 2、聚合物熔体流动特点？ • 3、结晶型聚合物成形时需要注意什么？ • 4、PE、PP成型加工时，仅靠改变温度来增加其流动性是否有效？那么
应该因此主要采取什么措施？
聚集状态?
谁决定?
聚合物原料
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原因：①流道各区域有意控温；②流动时径 向黏性摩擦生热效应差异；③流动压力降以 至膨胀产生冷却效应，径向膨胀冷却效应差 异不同 本章主要讨论流体在等温稳态层流时行为表现
2.2 高分子成形的剪切流动
流体流变性质的主要表现：黏度
宾汉流体：剪应力低于 y 时流体类似于固体；
y 时流体才流动
原因（一般认为）：静态下组成该流体系统的 基团、质点、悬浮颗粒间可能因为存在氢键、 静电、范德华力或离子键等的作用，形成了三 维立体拟网络结构 实例：高填料用量的填充聚合物（如碳酸钙填 充PP），非线性宾汉流体
4．幂律方程
图2.5 三种材料 ~ 的滞后环
2.2.3 剪切流动的影响因素
一、温度
温度升高，流体体积越大，分子间引力越小，流 体表现的黏度越小 Andrade公式：
Ae
E / RT
聚合物熔体黏流活化能一般1.0~200.0KJ/mol E 直接反映流体黏度的温度依赖性：E 值越大， 对温度越敏感 温敏差异：柔性链高分子流体黏度对温度不敏感， 刚性链高分子对温度敏感
例：聚氯乙烯糊和高填料含量聚合物流体等悬浮体
剪切增稠原因（多种）通常： 剪切速率不大：流体起润滑剂作用，悬浮体大致保 持原有堆砌密度沿移动 剪切速率逐渐增大：①颗粒碰撞机会增多，流动阻 力增大；②颗粒不能再保持静态时紧密堆砌，流体 不能再充满增空隙，润滑作用减小，阻力增大
3．宾汉流体
而降低，因此常称为剪切稀化流体
宽剪切速率范围流变行为三区域：第一牛顿区、非 牛顿区和第二牛顿区
低剪切速率时为牛顿流体，黏度为零切黏度
中等剪切速率范围为假塑性流体，黏度常采用表观 黏度 a
剪切速率很高时再次为牛顿流体，黏度称为极限黏 度
0
流动特征与聚合物分子的长链结构和分子缠结形成 的拟网络结构有关
0
图2.4 宽剪切速率范围高分子流体 lga lg 的曲线 (Ⅰ和Ⅲ—牛顿区，Ⅱ—非牛顿区)
分子链间相互缠结或范德华力相互作用形成链间瞬 态物理交联动态平衡 低剪切速率区：剪切导致的物理交联点破坏很少， 能够为热运动及时重建 剪切速率逐渐增加到一定值后：物理交联点被破坏 的速度大于重建的速度 剪切速率很高：物理交联点的破坏完全来不及重建 时，黏度降到最小值
子间作用力增加，流体黏度增加
压力－温度等效性：恒压下改变温度和恒温下改 变压力可以获得等效黏度变化 压力－温度等效性可用换算因子 T / P 来衡量
三、剪切速率
剪切速率敏感性差异：柔性链流体对剪切速率较 敏感，刚性链敏感性差 高分子成形选择合适的剪切速率很重要 对剪切速率敏感的聚合物可采用增大剪切速 率的方法增加流动性 对于薄型和复杂结构制品可克服充模不足的 问题
挤出、注射、压延等成形流体黏度通常很大；
浇铸、压制等成形流速很低
二、稳态流动和非稳态流动
稳态流动：流道任何部位的流速、物理状态
均不随时间而变化，但是各部位不一定相同，
比如挤出机的正常操作过程
非稳态流动：流动状况随时间而变化，比如
熔体充模过程
三、剪切流动和拉伸流动
成形流动两种主要类型：剪切流动和拉伸流动
速度梯度： dv
d (dx / dt ) d (dx / dr ) dr dr dt
是一个流层相对于邻近流层移动的距 离，它是剪切力作用下该层流体产生的剪切 应变 ，即 dx / dr
dx / dr
剪切速率 ：
dv d dr dt
（管中心）
=3.4~3.5
非牛顿性：随 M w 提高，流体非牛顿行为更突出
成形制品时聚合物原料的分子量应合适，应兼 顾制品力学性能和成形性能
3．分子量分布
剪切速率低时分子量分布宽者的黏度比窄者
高，但剪切速率较高时相反 原因：分子量分布宽则含有分子量很大的部 分且含量多 意义：分子量分布宽聚合物更容易挤出或注 射成形（较高剪切速率的黏度较低）
确定剪切速率参数：在成形工艺可选择范围内选 择黏度对 不敏感的剪切速率
图2.7 高分子流体的曲线
四、分子结构与参数
1．分子结构
分子间作用力越大，流体的黏度越大
分子极性 作用力越大，流体的黏度越大
分子极性越大或分子间存在氢键，则分子间
支化
短支链使分子堆砌密度下降，支链较短时支化聚合物 黏度较小
表2.1 部分成形工艺的剪切速率范围
成形工艺 浇铸、 压延、开 压制 炼、密炼 10~102 剪切速率范围 1~10 ／s-1
挤出
102~103
注射
103~104
挤出、注射和压延成形时高分子流体大多处于 非牛顿区且多为假塑性
2．胀塑性流体
流变特征：黏度随剪切速率或剪应力增大而升高， 因此常称为剪切增稠流体
2.2.2 非牛顿流体及其流动
非牛顿型流体黏度a ：剪应力或剪切速率依赖性 类型：黏性流体、黏弹性流体和时间依赖性流体 黏性流体应变都是不可逆，黏弹性流体部分应变可逆 黏弹性流体：常先作黏性流体处理然后根据弹性进行 修正，可简化流动分析计算 黏性流体和黏弹性流体类型：假塑性流体、胀塑性流 体和宾汉流体 时间依赖性流体：触变性流体和震凝性流体
图2.8 相同分子量、不同分子量分布 的高分子的黏度对剪切速率的依赖性 1－分布宽 2－分布窄
五、组成
固体添加剂（如填料）都会使体系的黏度增
大，流动性降低
流体添加剂（如增塑剂）往往使分子距离增
大，流动性增大
高分子溶液黏度随着溶液浓度增大而增大，
并且增加的幅度不断增大
六、外加物理场
物理场作用于流体的动态成形技术现已成为强化 成形过程的新方法 聚合物电磁式动态塑化挤出成形和电磁式动态 注射成形
lg lg K n lg
n d lg / d lg
K 和 n 随 变化： 值范围在有限范围（如1
个数量级）时可把 K 和 n 看作常数
对于假塑性流体： K 随 的增大而增大 随 的增大而减小。
需要说明：有些黏性流体不完全服从幂律方
移动层v A
外力F
x
y(R)
v+dv
v
dy(dr
dv （管壁） 固定面
摩擦力 F1
图2.1 剪切流动层流模型
著名牛顿粘性定律方程： 所有非聚合态流体（如低分子有机物和水等）都属 于牛顿流体 牛顿流体特征： 而变化 ①牛顿粘度 是一常数，不随剪切速率 ②牛顿流体曲线 ~ 是通过直角坐标系原点的直 线，斜率即是 ③牛顿流体的应变具有不可逆性，是纯粘性流动
成形流变学最重要的内容：流体的黏度及其
变化规律 流体类型：牛顿型流体和非牛顿型流体
流动行为相应分别为牛顿型流动和非牛顿型
流动
流动曲线：剪应力（或剪切粘度）与剪切应
变速率之间关系的曲线
2.2.1
牛顿流体及其流动
2.2.2
2.2.3
非牛顿流体及其流动
剪切流动的影响因素
2.2.1 牛顿流体及其流动
图2.6 聚合物熔体黏度对温度的依赖性 HDPE—高密度聚乙烯 PC—聚碳酸酯 PS—聚苯乙烯 PSF—聚砜
二、压力
பைடு நூலகம்
高分子流体可压缩：熔体在1~10MPa压力下成 形时体积压缩量小于1% 缩非常明显
注射成形时注射压力有时高达100MPa，体积压
体积压缩引起自由体积减少，分子间距缩小，分
剪切力增加而逐渐减小，并随应力作用时间增加而逐
渐趋于某一平衡值 震凝性流体原因：流体中存在不对称的粒子（如椭球 形线团或团粒），在剪切力场作用下逐渐取向排列形 成暂时次价交联的缔合网络结构
时间依赖性流体的流变特征：
（1）黏度变化可逆 （2）剪切速率一定时出现应力松弛，剪应 力逐渐从最大（或小）变化至平衡值 （3）应力引起的应变表现出滞后效应，存 在 ~ 滞后环 流体具有触变性具有实用意义：如涂料具有触 变性，可避免或减少流挂现象
长支链可能产生缠结，故 低下长支链聚合 物黏度较高，但高 下剪切稀化效应很突出， 黏度却比分子量相同线型聚合物黏度低
2．分子量
分子量大，分子间作用力大，分子质心移动困 难，流动性差，黏度高
Fox-Flory公式： 0 KM w
M c小于M w时， M c 大于 =1.0~1.8；当 M w 时，
流动过程黏性阻力，热效应，温度变化；流体
结构甚至有时间相关性
流动变形影响因素：温度、压力、流动状态、
应力方式、分子结构和组织结构等
一、层流和湍流
两种流动状态：层流和湍流
层流状态时流体质点无横向迁移和窜流 湍流时流体质点存在明显的横向迁移和窜流， 流动中存在强烈流体混合
高分子成形过程中流体流动一般都为层流
程，流动规律更复杂
n
宾汉流体流变方程：
y K
n
n =1线性宾汉流体， ≠1非线性宾汉流体 表观黏度 ：
n
a / n 1 a K 真实黏度（或叫稠度）c ：
a
c d / d
二、时间依赖性流体
触变性流体：表观黏度随剪切持续作用时间 （即黏性流动时间）的增长而降低
第二章 高分子成形流变学基础