(优选)聚合物流体的流变性

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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↓）
描述非牛顿流体流动的关系式采用幂律定律
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; 当n＜1时，表观粘度随剪切速率的增大而减小，这种流 体称为假塑性流体或切力变稀流体，大部分聚合物流体 都属于这种； 当n＞1，表观粘度随剪切速率的增大而增大，这种流体 称为膨胀性流体或切力增稠流体。
（优选）聚合物流体的流变性
2020/9/20
原因： 粘度高，如低密度聚乙烯的熔体粘度约
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。
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。
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。
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；
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。
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：
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。
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。
dv
dr
式中 η- 比例常数，称为粘度，Pa·s
加工过程中聚合物流变行为可用粘度η表征
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。
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。
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。
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：
K:粘度系数 N:非牛顿指数
流体的流动曲线类型
流动类型 流动规律 符合的流体
备注
牛顿流体 宾汉流体 假塑性流体
(η为常数)
(τy 和η为常数)
n<1
PC和PVDC接 近
低分子多为此类
牙膏、油漆、凝 在剪切力增大到
胶糊、良溶剂的 一定值后才能流
浓溶液
动
大多数聚合物熔 体、溶液、糊
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。
成型时液体静压力影响相对较小，可忽略不计， 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。