聚合物流体的流变性概述(PPT 45页)
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聚合物的流变性ppt课件
High MW
Low MW
•
log
Rubber:200000 Plastics Fiber:20000
Wide MWD Narrow MWD
•
log
挤出 注塑 吹塑
3.4.4 分子链结构
分子间作用力 缠结点
链刚性
链段长度
支化
短支链 长支链
缠结点 缠结点
粘度
粘度 粘度
3.4.5 熔体结构
160~200C 初级粒子未熔融 乳液法PVC
2.4
2.2
2.0
1.8
1/T 103 (K1)
4 PE Chloride polyether PS
Cellulose
3
PC
20
1
2• 3
lg (s1)
3.4.3 分子量和分子量分布
M
log0
Mw Mc
0
1~1.5
K1 M w
临界缠结 分子量
Mw Mc
M c log M w
0
3.4
K2 M w
填充体系的粘度 高分子的粘度
0
1 2.5 f
胀塑性流体的形成
填料的体积分数
密堆积
层流
3.5 高分子熔体的 弹性效应
高分子熔体弹性效应的机理
高分子粘流过程中伴随着可逆的高弹形变,这是高分子 熔体区别于低分子液体的重要特征之一
高分子熔体的流动是各链段运动的总结果,在外力作用 下,高分子链顺流动方向取向,外力消失后,链要重新 蜷曲起来,因而整个形变要恢复一部分
刚 性
M>Mc时,E恒定 说明流动 时分段移动,而不是整个分子
链的运动
NR IR PS PA PET PC PVC-U PVC-P PVAc Cellulose
高分子材料加工原理--聚合物流体的流变性 ppt课件
所以PLLA熔体在纺丝过程中对温度极其敏感,应严格控制纺丝温 度.
表 PLLA的特性黏度降
温度/℃
室温 205 215 225
特性黏度[η]
1.35 1.16 0.89 0.82
[η]
0 0.19 0.46 0.53
当Tg <T<Tg+100时,由WLF方程式: ❖ lg(T / Ts)= -C1(T-Ts)/[C2+(T-Ts)] ❖ 若Ts=Tg, 则C1=17.44,C2=51.6
1-直链,2—三支链,3—四支链
图 超支化聚(硅氧烷)
2.平均分子量的影响
(1)分子量对0 的影响
➢ Flory等: 0=KM K-取决于聚合物性质和温度的经验常数 -与聚合物有关的指数 当M < Mc时,=1~1.6; M > Mc,时=2.5~5.0
推论:高分子量聚合物加工时,粘 度很高,加工困难。
a ↓ a↑
支链越多,越短,流动时的空间位阻
越小,表观粘度越低。
例1: 超支化聚合物具有较低的a 例2: 橡胶生产中加入再生橡胶,以 改善其加工性能。
(3) 长支链数↑
a ↑, c↓
(4)聚合物链结构中的侧基 当侧基体积较大时,自由体积增大,
流体粘度对压力和温度敏感性增加。
图 顺丁胶的粘度与分子支化度的关 系
C↑
c↓ n ↓
(三) 温度的影响
1.温度对0 (或)的影响
图 常见聚合物流体的表观粘度与温度的关系
T ↑,链段活动能力↑ 体积↑ 分子间相互作用↓
↓
当T>>Tg时, 由Arrhenius方程式: η =AexpEη /RT
lnη =lnA+Eη /RT
表 PLLA的特性黏度降
温度/℃
室温 205 215 225
特性黏度[η]
1.35 1.16 0.89 0.82
[η]
0 0.19 0.46 0.53
当Tg <T<Tg+100时,由WLF方程式: ❖ lg(T / Ts)= -C1(T-Ts)/[C2+(T-Ts)] ❖ 若Ts=Tg, 则C1=17.44,C2=51.6
1-直链,2—三支链,3—四支链
图 超支化聚(硅氧烷)
2.平均分子量的影响
(1)分子量对0 的影响
➢ Flory等: 0=KM K-取决于聚合物性质和温度的经验常数 -与聚合物有关的指数 当M < Mc时,=1~1.6; M > Mc,时=2.5~5.0
推论:高分子量聚合物加工时,粘 度很高,加工困难。
a ↓ a↑
支链越多,越短,流动时的空间位阻
越小,表观粘度越低。
例1: 超支化聚合物具有较低的a 例2: 橡胶生产中加入再生橡胶,以 改善其加工性能。
(3) 长支链数↑
a ↑, c↓
(4)聚合物链结构中的侧基 当侧基体积较大时,自由体积增大,
流体粘度对压力和温度敏感性增加。
图 顺丁胶的粘度与分子支化度的关 系
C↑
c↓ n ↓
(三) 温度的影响
1.温度对0 (或)的影响
图 常见聚合物流体的表观粘度与温度的关系
T ↑,链段活动能力↑ 体积↑ 分子间相互作用↓
↓
当T>>Tg时, 由Arrhenius方程式: η =AexpEη /RT
lnη =lnA+Eη /RT
聚合物熔体的流变性ppt课件
呈现这种行为的物质有泥浆、牙膏和油脂等,涂 料特别需求具有这种塑性。
〔4〕非宾汉流体(了解〕
又称非塑性流体。同宾汉流体类似, 但超越 y 后,其流动不符合牛顿流 体,即流动曲线是非线性的。
2.粘度与时间有关的
〔1〕触变性流体
在恒定的剪切速率下〔或剪切 应力〕,流体的粘度随时间的添加 而降低,这种流体称为触变性流体 〔或摇溶液体〕。
方向大。
温度升高,分子热运动能量添加,液体中的空穴 也随着添加和膨胀,流动的阻力减小。液体的粘 度与温度 T 之间有如下关系。
AeE/RT
流动活化能,分子向穴跃迁时抑制 周围分子作用所需求的能量;
粘度
分子量增大, E 增大,每添加一个-CH2-, E 大约添加约 2.1 kJ/mol
实验现实
产生高分子大小的空穴是困难的;实际推算 1000个-CH2-的E=2.1MJ/mol;比-C-C-键 能(3.4kJ/mol)大。实测烃类同系物的E , 当C原子数大于20-30时与分子量无关。不同分 子量高聚物的流动活化能与分子量无关。
〔2〕震凝性流体
在恒定的剪切速率下〔或剪切应 力〕,流体的粘度随时间的添加而添加, 这种流体称为震凝性流体〔或摇凝液 体〕,或反触变流体。
变稠与某种构造的构成有关。
三.高聚物粘性流动的特点
1.高分子的流动是经过链段的位移运动来完成的 小分子的流动,可用简单模型描画。 低分子液体中存在许多与分子尺寸相当的空穴。 外力存在使分子沿作用力方向跃迁的几率比其他
用 / 定义的粘度不是常数,引入表观粘 度的概念 a,定义:
a
a Kn1
(2) 零切粘度
低剪切速率下,非牛顿流体表现出 牛顿流体的特性,由 对 曲线的 起始斜率可得到牛顿粘度。
〔4〕非宾汉流体(了解〕
又称非塑性流体。同宾汉流体类似, 但超越 y 后,其流动不符合牛顿流 体,即流动曲线是非线性的。
2.粘度与时间有关的
〔1〕触变性流体
在恒定的剪切速率下〔或剪切 应力〕,流体的粘度随时间的添加 而降低,这种流体称为触变性流体 〔或摇溶液体〕。
方向大。
温度升高,分子热运动能量添加,液体中的空穴 也随着添加和膨胀,流动的阻力减小。液体的粘 度与温度 T 之间有如下关系。
AeE/RT
流动活化能,分子向穴跃迁时抑制 周围分子作用所需求的能量;
粘度
分子量增大, E 增大,每添加一个-CH2-, E 大约添加约 2.1 kJ/mol
实验现实
产生高分子大小的空穴是困难的;实际推算 1000个-CH2-的E=2.1MJ/mol;比-C-C-键 能(3.4kJ/mol)大。实测烃类同系物的E , 当C原子数大于20-30时与分子量无关。不同分 子量高聚物的流动活化能与分子量无关。
〔2〕震凝性流体
在恒定的剪切速率下〔或剪切应 力〕,流体的粘度随时间的添加而添加, 这种流体称为震凝性流体〔或摇凝液 体〕,或反触变流体。
变稠与某种构造的构成有关。
三.高聚物粘性流动的特点
1.高分子的流动是经过链段的位移运动来完成的 小分子的流动,可用简单模型描画。 低分子液体中存在许多与分子尺寸相当的空穴。 外力存在使分子沿作用力方向跃迁的几率比其他
用 / 定义的粘度不是常数,引入表观粘 度的概念 a,定义:
a
a Kn1
(2) 零切粘度
低剪切速率下,非牛顿流体表现出 牛顿流体的特性,由 对 曲线的 起始斜率可得到牛顿粘度。
二章聚合物的流变性质资料课件
流变学在聚合物科学中具有重要地位,因为聚合物的流变性质直接影响到其加工、 成型、性能以及应用。
聚合物的流变性质的重要性
聚合物的流变性质对其加工过程有重要影响,如熔融、流动、充模和冷却等过程。
聚合物的流变性质与其最终产品的性能密切相关,如力学性能、光学性能、热性能 和电性能等。
正确地理解和控制聚合物的流变性质是实现聚合物加工过程优化和产品性能提升的 关键。
毛细管流变仪的优点在于操作简便、测量精度高, 适用于各种不同类型和状态的聚合物材料。
பைடு நூலகம்
毛细管流变仪的测试原理基于泊肃叶定律,通过 测量聚合物在恒定外力作用下的流动速率,结合 聚合物材料的物理性质,可以计算出其流变性质。
毛细管流变仪的缺点在于测试过程中需要使用大 量样品,且测试时间长,对于某些高粘度聚合物 可能存在测量困难。
应力会使分子链段产生取向排列,导致聚合物的弹性模量增加。同时,应力也会使分子间的相互作用 力增强,导致粘度增加。在应力作用下,聚合物的流动行为也会发生变化,流动速率与应力之间的关 系不再是线性关系。
聚合物的分子量和分子量分布的影响
聚合物的分子量和分子量分布对聚合 物流变性质的影响主要体现在粘度和 弹性等方面。分子量和分子量分布的 不同会导致聚合物具有不同的流变性 质。
在涂料和油墨中,聚合物的流变 性质对涂层的流平性、光泽度和
干燥性等方面具有重要影响。
聚合物流变性质决定了涂料的流 动行为、涂装性能以及涂层的表 面形态,从而影响涂层的装饰效
果和使用性能。
通过调整聚合物的流变性质,可 以优化涂料的配方和涂装工艺, 提高涂层的外观质量和耐久性。
在粘合剂和密封剂中的应用
聚合物流变性质的分类
聚合物流变性质可以分为弹性流变、粘性流变和粘弹 性流变等类型。
聚合物的流变性质的重要性
聚合物的流变性质对其加工过程有重要影响,如熔融、流动、充模和冷却等过程。
聚合物的流变性质与其最终产品的性能密切相关,如力学性能、光学性能、热性能 和电性能等。
正确地理解和控制聚合物的流变性质是实现聚合物加工过程优化和产品性能提升的 关键。
毛细管流变仪的优点在于操作简便、测量精度高, 适用于各种不同类型和状态的聚合物材料。
பைடு நூலகம்
毛细管流变仪的测试原理基于泊肃叶定律,通过 测量聚合物在恒定外力作用下的流动速率,结合 聚合物材料的物理性质,可以计算出其流变性质。
毛细管流变仪的缺点在于测试过程中需要使用大 量样品,且测试时间长,对于某些高粘度聚合物 可能存在测量困难。
应力会使分子链段产生取向排列,导致聚合物的弹性模量增加。同时,应力也会使分子间的相互作用 力增强,导致粘度增加。在应力作用下,聚合物的流动行为也会发生变化,流动速率与应力之间的关 系不再是线性关系。
聚合物的分子量和分子量分布的影响
聚合物的分子量和分子量分布对聚合 物流变性质的影响主要体现在粘度和 弹性等方面。分子量和分子量分布的 不同会导致聚合物具有不同的流变性 质。
在涂料和油墨中,聚合物的流变 性质对涂层的流平性、光泽度和
干燥性等方面具有重要影响。
聚合物流变性质决定了涂料的流 动行为、涂装性能以及涂层的表 面形态,从而影响涂层的装饰效
果和使用性能。
通过调整聚合物的流变性质,可 以优化涂料的配方和涂装工艺, 提高涂层的外观质量和耐久性。
在粘合剂和密封剂中的应用
聚合物流变性质的分类
聚合物流变性质可以分为弹性流变、粘性流变和粘弹 性流变等类型。
(完整版)第9章-聚合物的流变性-PPT
是利用其熔体的流动性能。这种流动态也
是高聚物溶液的主要加工状态。
工业中 的应用
塑料的挤出、吹塑、注射、浇注 溶液纺丝
熔融态加工对某些聚合物除外
(1) 交联聚合物:硫化橡胶、 酚醛、环氧树脂
(2) 分解温度Td <Tf 的聚合物: 聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇
(3) 刚性极大:如Kevlar
结构特点
高聚物的流动行为是高聚物分子运动的表现,反 映了高聚物的组成、结构、分子量及其分布等结 构特点。
• 2.拉伸流动——液体流动的速度梯度方向与流动方 向相平行,具有纵向速度梯度场,流动速度沿流动方 向变化。
纵向速度梯度场
例:吹塑成型中型坯离开环形口模的流动,纺丝中熔 体离开喷丝孔的流动,熔体在截面突然缩小的管道或 模具中的收敛流动(Contraction flow),薄膜经过双向 拉伸时的流动,吸塑成型中板材在模具内的扩张流动 等。 • 3.体积的压缩:液体在各向等值压力(流体静压力) 作用下的流动。 如:高聚物熔体在高压下成型可产生这种流动。 • 由于高聚物流变性的复杂性,在实际的成型过程中可 能包含多种 dt
dx dy
•dx/dy是剪切应变(Shearing strain),即dγ=dx/dy,所以
dV d
•令
d
dt
dy dt
为切变速率,则牛顿流动定律可改写为:
•若 的单位为Pa,dγ/d t的单位为s-1,则η的单位为Pa·s。
•牛顿流体(Newtonian fluid):流动行为符合牛顿流动定
弹性:分子链构象不断变化
构特点,全面理解和掌握聚合物熔体流动的特点和影响 流动的各种因素,学会通过分子结构判断流动性好坏, 并指导加工。
第二十四讲 牛顿流体和非牛顿流体及 熔体切粘度的测定方法
是高聚物溶液的主要加工状态。
工业中 的应用
塑料的挤出、吹塑、注射、浇注 溶液纺丝
熔融态加工对某些聚合物除外
(1) 交联聚合物:硫化橡胶、 酚醛、环氧树脂
(2) 分解温度Td <Tf 的聚合物: 聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇
(3) 刚性极大:如Kevlar
结构特点
高聚物的流动行为是高聚物分子运动的表现,反 映了高聚物的组成、结构、分子量及其分布等结 构特点。
• 2.拉伸流动——液体流动的速度梯度方向与流动方 向相平行,具有纵向速度梯度场,流动速度沿流动方 向变化。
纵向速度梯度场
例:吹塑成型中型坯离开环形口模的流动,纺丝中熔 体离开喷丝孔的流动,熔体在截面突然缩小的管道或 模具中的收敛流动(Contraction flow),薄膜经过双向 拉伸时的流动,吸塑成型中板材在模具内的扩张流动 等。 • 3.体积的压缩:液体在各向等值压力(流体静压力) 作用下的流动。 如:高聚物熔体在高压下成型可产生这种流动。 • 由于高聚物流变性的复杂性,在实际的成型过程中可 能包含多种 dt
dx dy
•dx/dy是剪切应变(Shearing strain),即dγ=dx/dy,所以
dV d
•令
d
dt
dy dt
为切变速率,则牛顿流动定律可改写为:
•若 的单位为Pa,dγ/d t的单位为s-1,则η的单位为Pa·s。
•牛顿流体(Newtonian fluid):流动行为符合牛顿流动定
弹性:分子链构象不断变化
构特点,全面理解和掌握聚合物熔体流动的特点和影响 流动的各种因素,学会通过分子结构判断流动性好坏, 并指导加工。
第二十四讲 牛顿流体和非牛顿流体及 熔体切粘度的测定方法
第七章 聚合物流体的流变性
分子结构(链结构、相对分子质量及相对分子质量 分布)
1.链结构的影响 链的刚柔:
柔性越大,缠结点多,解缠和滑移难,非牛顿性强。 刚性增加,分子间作用力大,粘度对 小;对温度的敏感性增加。
的敏感性减
(2)支链结构: 分子量相同, η支链≤ η直链;
η上升,支链长度增加到一 定值,粘度急剧增高。
聚合物 聚丙烯 聚己内酰胺 聚对苯二甲酸乙二酯 聚苯乙烯 高密度聚乙烯
纤维素黄酸酯+NaOH-H2O 9.210.0
注意:
E随 M 而↑,但
T
≥103, E不变。 M
↑,E↓
浓度↓
,E ↑
↑, E ↓
E越大,温度对粘度的影响越大 升温降低粘度有效,加强温度控制!!
e随温度↑而↓ 即符合Arrhenius方程式:
5300 e 0.073 exp (Pa s) T
PET PA6
3250 e 0.034 exp (Pa s) T
3500 e 0.004 exp (Pa s) T
当n<1时,表观粘度a
a≡12 /
n-1 =K
a随 ↑而↓
当n>1时,a随
假塑性流体
切力变稀流体
的↑而↑
胀流性流体 或切力增稠流体
要克服某一临界剪切应力才能使其产生牛顿流动
宾汉流体
各种流体的性质
c
N P N P B D
B
D
N: 牛顿流体 P: 假塑性流体 D: 膨胀性流体
PP
聚合物的流变性.ppt
η>ηa>η∞
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释:缠结破坏与形成的动态过程。
ⅰ第一牛顿区: 切变速率足够小,高分子处于高度 缠结的拟网结构,流动阻力大;缠结结构的破坏 速度等于形成的速度,粘度保持不变,且最高。
ⅱ假塑性区:切变速率增大,缠结结构被破坏,破 坏速度大于形成速度,粘度减小,表现出假塑性 流体行为。
9.2.2影响聚合物熔体粘度的因素
A、粘度的分子量依赖性
(1)分子结构
临界分子量发生缠结的最小分子量
When M<Mc
0
KM
1~1.6 w
When M>Mc
0
KM
3~ w
3.4
△成型加工考虑,流动性好(充模好,表面光洁)。 降低分子量,增加流动性,但影响机械强度。在加 工时适当调节分子量大小,满足加工要求尽可能提 高分子量。
定义:挤出机挤出的高聚物熔体其直径比挤出 模孔的直径大的现象。
如何减小挤出涨大?
——引起聚合物弹性形变储能剧烈变化区域 为:模孔入口处,毛细管壁和模孔出口处。
——模口设计成流线型,提高加工温度等。 胀大比B随切变速率提高而增大,B随L/D↑而 减小。
9.4.4 不稳定流动 •波浪形 •鲨鱼皮形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
9.1牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体:
剪切形变
dx dy
,
剪切应力
F
A
切变速( dx)
d
(dx) dv
dt dt dy dy dt dy
(s-1 )
牛顿流动定律:
:单位Pa·s
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体, 称为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流 体分子的结构和温度有关,与切应力和 切变速率无关。
聚合物流动曲线的解释
缠结理论解释:缠结破坏与形成的动态过程。
ⅰ第一牛顿区: 切变速率足够小,高分子处于高度 缠结的拟网结构,流动阻力大;缠结结构的破坏 速度等于形成的速度,粘度保持不变,且最高。
ⅱ假塑性区:切变速率增大,缠结结构被破坏,破 坏速度大于形成速度,粘度减小,表现出假塑性 流体行为。
9.2.2影响聚合物熔体粘度的因素
A、粘度的分子量依赖性
(1)分子结构
临界分子量发生缠结的最小分子量
When M<Mc
0
KM
1~1.6 w
When M>Mc
0
KM
3~ w
3.4
△成型加工考虑,流动性好(充模好,表面光洁)。 降低分子量,增加流动性,但影响机械强度。在加 工时适当调节分子量大小,满足加工要求尽可能提 高分子量。
定义:挤出机挤出的高聚物熔体其直径比挤出 模孔的直径大的现象。
如何减小挤出涨大?
——引起聚合物弹性形变储能剧烈变化区域 为:模孔入口处,毛细管壁和模孔出口处。
——模口设计成流线型,提高加工温度等。 胀大比B随切变速率提高而增大,B随L/D↑而 减小。
9.4.4 不稳定流动 •波浪形 •鲨鱼皮形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
9.1牛顿流体和非牛顿流体
1、牛顿流体:
剪切形变
dx dy
,
剪切应力
F
A
切变速( dx)
d
(dx) dv
dt dt dy dy dt dy
(s-1 )
牛顿流动定律:
:单位Pa·s
凡流动行为符合牛顿流动定律的流体, 称为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流 体分子的结构和温度有关,与切应力和 切变速率无关。
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而边界固定,由外压力作用于流体而产生的流动, 称为压力流动。
例如
2020/9/16
聚合物熔体注射成型时,在流道内的流动属 于压力梯度引起的剪切流动。
聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切 流动,即拖曳流动。
第二节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种:
剪切应力、拉伸应力和静压力。
第一节 聚合物流体的流动类型
1. 层流和湍流
Re<2100
层流
低分子流体 Re>2100
湍流
Re=2100~4000 过渡态(介于层流与湍流)
聚合物熔体,在成型过程中流动时,其雷诺准 数一般小于10,分散体也不会大于2100,因此其 流动均为层流。
2020/9/16
原因: 粘度高,如低密度聚乙烯的熔体粘度约
粘度:液层单位表面上所加的剪切力与液层间的 速度梯度(剪切速率)的比值, 粘度是液体自身所固有的性质,它的大小表征液体 抵抗外力引起流动变形的能力。
2020/9/16
对于小分子流体该粘度为常数,称为牛顿 粘度。
而对于聚合物流体,由于大分子的长链结 构和缠结,剪切力和剪切速率不成比例,流 体的剪切粘度不是常数,依赖于剪切作用。
所谓稳定流动,并非是流体在各部位的速度以及 物理状态都相同。而是指在任何一定部位,它们均 不随时间而变化。
例如
正常操作的挤出机中,塑料熔体沿螺杆螺 槽向前流动属稳定流动,因其流速、流量、压 力和温度分布等参数均不随时间而变动。
2020/9/16
3. 等温流动和非等温流动
等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下的 流动。
2020/9/16
பைடு நூலகம்
2020/9/16
层流可以用牛顿流体流动定律来描述: 在一定温度下,施加于相距dr的液层上的剪切应
力(单位为N/m2),与层流间的剪切速率dυ/dr(又称 速度梯度,单位为s-1)成正比,其表达式:
dv
dr
式中 η- 比例常数,称为粘度,Pa·s
2020/9/16
加工过程中聚合物流变行为可用粘度η表征
在等温流动情况下,流体与外界可以进行热量传 递,但传入和输出的热量应保持相等。
常常将熔体充模流动阶段当作等温流动过程来处 理,因为不会有过大的偏差,却可以使充模过程的 流变分析大为简化。
2020/9/16
在聚合物加工的实际条件下,聚合物流体的 流动一般均呈现非等温状态。
一方面是由于成型工艺要求将流道各区域控 制在不同的温度下;
具有这种行为的流体称为非牛顿流体,非 牛顿流体的粘度定义为非牛顿粘度或表观粘 度。
2020/9/16
非牛顿液体类型
根据应变时有无弹性和 应变对时间有无依赖关系,非牛顿液体分为:
非
粘性液体 (宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体)
牛
顿 粘弹性液体
液
震凝性液体(t↑→η↑)
体 有时间依赖性液体
触变性液体(t↑→η↓)
一维流动:流体内质点的速度只在一个方向上变 化,即在流道截面上任何一点的速度只需用一个垂 直于流动方向的坐标表示。
例如
2020/9/16
聚合物熔体在等截面圆管内作层状流动时, 其速度分布仅是圆管半径的函数,是一种典型 的一维流动。
二维流动:流道截面上各点的速度需要两个垂直于 流动方向的坐标表示。例如流体在矩形和椭圆型截面 通道中流动时,其流速在通道的高度和宽度两个方向 均发生变化,是典型的二维流动。
在高分子材料成型过程中,聚合物的材料随受力 性质与作用位置的不同而产生不同类型的应力、应 变和应变速率。
对成型影响最大的是剪切应力,因为成型时液态 聚合物在设备或模具中流动的压力降、所需功率 以及制品质量等都要受到它的制约。
其次是拉伸应力,经常与剪切应力同时出现, 如用吹塑法或拉幅法生产薄膜,熔体在变截面导管 中的流动以及单丝的生产等。
另一方面,是由于粘性流动过程中有生热和 热效应。
这些都使其在流道径向和轴向存在一定的 温度差。例如塑料的注射成型,熔体在进入低 温的模具后就开始冷却降温。
2020/9/16
4. 一维流动、二维流动和三维流动
当流体在流道内流动时、由于外力作用方式和 流道几何形状的不同,流体内质点的速度分布具有 不同特征:
成型时液体静压力影响相对较小,可忽略不计,
2020/9/16
但对粘度有影响。
聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称 为剪切流动。
例如: 聚合物在简单的管和槽中的流动,由于压力的 作用引起的流动,属于简单的一维压力流动,在 流动中只受到剪切力的作用。
为研究方便,可将层流流体视为一层层彼此相 邻的液体在剪切应力τ作用下的相对滑移。
三维流动:流体在截面变化的通道中流动,如锥形 通道或收缩型管道,其质点速度不仅沿通道截面的纵 横两个方向变化,而且也沿主流动方向变化。即流体 的流速要用三个相互垂直的坐标表示,因而称为三维 流动。
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二维流动和三维流动的规律在数学处理上, 比较一维流动要复杂很多。
有的二维流动,如平行板狭缝通道和间隙 很小的圆环通道中的流动,按一维流动作近 似处理时不会有很大的误差。
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描述非牛顿流体流动的关系式采用幂律定律
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式中的n为非牛顿指数,
当n=1时流体具有牛顿行为;
当n=1,当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定 刚度,但当剪切应力超过时流体就流动,这种流体称为 宾汉塑性流体;
0.3×102~1×103Pa.s,而且流速较低,在加工过程中 剪切速率一般不大于103s-1。
注意
但是在特殊场合,如经小浇口的熔体注射 进大型腔,由于剪切应力过大等原因,会出现 弹性湍流,熔体会发生破碎,破坏成型。
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2. 稳定流动与不稳定流动
凡流体在输送通道中流动时,该流体在任何 部位的流动状况保持恒定,不随时间而变化,即一 切影响流体流动的因素都不随时间而改变,此种流 动称为稳定流动。
5. 拉伸流动和剪切流动
按照流体内质点速度分布与流动方向关系,可将 聚合物加工时的流体的流动分为两类:
拉伸流动:质点速 度沿着流动方向发 生变化; 剪切流动:质点速 度仅沿着与流动方 向垂直的方向发生 变化。
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剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动
由边界的运动而产生的流动,如运转滚筒表面 对流体的剪切摩擦而产生流动,即为拖曳流动。
例如
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聚合物熔体注射成型时,在流道内的流动属 于压力梯度引起的剪切流动。
聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切 流动,即拖曳流动。
第二节 聚合物流体的非牛顿剪切粘性
聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种:
剪切应力、拉伸应力和静压力。
第一节 聚合物流体的流动类型
1. 层流和湍流
Re<2100
层流
低分子流体 Re>2100
湍流
Re=2100~4000 过渡态(介于层流与湍流)
聚合物熔体,在成型过程中流动时,其雷诺准 数一般小于10,分散体也不会大于2100,因此其 流动均为层流。
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原因: 粘度高,如低密度聚乙烯的熔体粘度约
粘度:液层单位表面上所加的剪切力与液层间的 速度梯度(剪切速率)的比值, 粘度是液体自身所固有的性质,它的大小表征液体 抵抗外力引起流动变形的能力。
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对于小分子流体该粘度为常数,称为牛顿 粘度。
而对于聚合物流体,由于大分子的长链结 构和缠结,剪切力和剪切速率不成比例,流 体的剪切粘度不是常数,依赖于剪切作用。
所谓稳定流动,并非是流体在各部位的速度以及 物理状态都相同。而是指在任何一定部位,它们均 不随时间而变化。
例如
正常操作的挤出机中,塑料熔体沿螺杆螺 槽向前流动属稳定流动,因其流速、流量、压 力和温度分布等参数均不随时间而变动。
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3. 等温流动和非等温流动
等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下的 流动。
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பைடு நூலகம்
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层流可以用牛顿流体流动定律来描述: 在一定温度下,施加于相距dr的液层上的剪切应
力(单位为N/m2),与层流间的剪切速率dυ/dr(又称 速度梯度,单位为s-1)成正比,其表达式:
dv
dr
式中 η- 比例常数,称为粘度,Pa·s
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加工过程中聚合物流变行为可用粘度η表征
在等温流动情况下,流体与外界可以进行热量传 递,但传入和输出的热量应保持相等。
常常将熔体充模流动阶段当作等温流动过程来处 理,因为不会有过大的偏差,却可以使充模过程的 流变分析大为简化。
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在聚合物加工的实际条件下,聚合物流体的 流动一般均呈现非等温状态。
一方面是由于成型工艺要求将流道各区域控 制在不同的温度下;
具有这种行为的流体称为非牛顿流体,非 牛顿流体的粘度定义为非牛顿粘度或表观粘 度。
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非牛顿液体类型
根据应变时有无弹性和 应变对时间有无依赖关系,非牛顿液体分为:
非
粘性液体 (宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体)
牛
顿 粘弹性液体
液
震凝性液体(t↑→η↑)
体 有时间依赖性液体
触变性液体(t↑→η↓)
一维流动:流体内质点的速度只在一个方向上变 化,即在流道截面上任何一点的速度只需用一个垂 直于流动方向的坐标表示。
例如
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聚合物熔体在等截面圆管内作层状流动时, 其速度分布仅是圆管半径的函数,是一种典型 的一维流动。
二维流动:流道截面上各点的速度需要两个垂直于 流动方向的坐标表示。例如流体在矩形和椭圆型截面 通道中流动时,其流速在通道的高度和宽度两个方向 均发生变化,是典型的二维流动。
在高分子材料成型过程中,聚合物的材料随受力 性质与作用位置的不同而产生不同类型的应力、应 变和应变速率。
对成型影响最大的是剪切应力,因为成型时液态 聚合物在设备或模具中流动的压力降、所需功率 以及制品质量等都要受到它的制约。
其次是拉伸应力,经常与剪切应力同时出现, 如用吹塑法或拉幅法生产薄膜,熔体在变截面导管 中的流动以及单丝的生产等。
另一方面,是由于粘性流动过程中有生热和 热效应。
这些都使其在流道径向和轴向存在一定的 温度差。例如塑料的注射成型,熔体在进入低 温的模具后就开始冷却降温。
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4. 一维流动、二维流动和三维流动
当流体在流道内流动时、由于外力作用方式和 流道几何形状的不同,流体内质点的速度分布具有 不同特征:
成型时液体静压力影响相对较小,可忽略不计,
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但对粘度有影响。
聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称 为剪切流动。
例如: 聚合物在简单的管和槽中的流动,由于压力的 作用引起的流动,属于简单的一维压力流动,在 流动中只受到剪切力的作用。
为研究方便,可将层流流体视为一层层彼此相 邻的液体在剪切应力τ作用下的相对滑移。
三维流动:流体在截面变化的通道中流动,如锥形 通道或收缩型管道,其质点速度不仅沿通道截面的纵 横两个方向变化,而且也沿主流动方向变化。即流体 的流速要用三个相互垂直的坐标表示,因而称为三维 流动。
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二维流动和三维流动的规律在数学处理上, 比较一维流动要复杂很多。
有的二维流动,如平行板狭缝通道和间隙 很小的圆环通道中的流动,按一维流动作近 似处理时不会有很大的误差。
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描述非牛顿流体流动的关系式采用幂律定律
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式中的n为非牛顿指数,
当n=1时流体具有牛顿行为;
当n=1,当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定 刚度,但当剪切应力超过时流体就流动,这种流体称为 宾汉塑性流体;
0.3×102~1×103Pa.s,而且流速较低,在加工过程中 剪切速率一般不大于103s-1。
注意
但是在特殊场合,如经小浇口的熔体注射 进大型腔,由于剪切应力过大等原因,会出现 弹性湍流,熔体会发生破碎,破坏成型。
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2. 稳定流动与不稳定流动
凡流体在输送通道中流动时,该流体在任何 部位的流动状况保持恒定,不随时间而变化,即一 切影响流体流动的因素都不随时间而改变,此种流 动称为稳定流动。
5. 拉伸流动和剪切流动
按照流体内质点速度分布与流动方向关系,可将 聚合物加工时的流体的流动分为两类:
拉伸流动:质点速 度沿着流动方向发 生变化; 剪切流动:质点速 度仅沿着与流动方 向垂直的方向发生 变化。
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剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动
由边界的运动而产生的流动,如运转滚筒表面 对流体的剪切摩擦而产生流动,即为拖曳流动。