聚合物流体的流变性概述(PPT 45页)

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。
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；
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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
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。
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↓）
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：
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。
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。
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。
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。
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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;
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。
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。
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
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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