高分子成型工艺-第二章

（2）假塑性流体 非牛顿流体中最为普通的一种。 流动曲线：流动曲线不是直线，而是一条斜率逐渐变小的曲 线，而且不存在屈服应力。 流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。即：剪切变稀。 如：橡胶、绝大多数聚合物、塑料的熔体和溶液。
（3）膨胀性流体
流动曲线：非直线的 ，斜率逐渐变大的曲线，也不存在屈 服应力。 表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即：剪切变稠。 如：固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的PVC糊塑料。
（一）、基本流动类型
聚合物流体由于在成型条件下的流速、外部作用力形式、流道
几何形状和热量传递等情况的不同，可表现出不同的流动类型。
1、层流与湍流
（1）层流流体流动的特点： 液体主体的流动是按照许多彼此平行的流层进行的； 同一流层之间的各点速度彼此相同； 各层之间的速度不一定相等，各层之间无可见的扰动。
速度仅沿流动方向发生变化，如图 质点2—2（a）所示，称为拉伸流动， 质点速度仅沿与流动方向垂直的方 向发生变化，如图2—2(b)所示，称 为剪切流动。
5、一维流动、二维流动和三维流动
在一维流动中，流体内质点的速度仅在一个方向上变化， 即在流通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，聚合物流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。
在二维流动中．流道截面上各点的速度需要用两个垂直 于流动方向的坐标表示。流体在矩形截面通道中流动时， 其流速在通道的高度和宽度两个方向上均发生变化，是 典型的二维流动。
流体在锥形或其它截面呈逐渐缩小形状通道中的流动， 其质点的速度不仅沿通道截面纵横两个方向变化，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。
流动方程：
y
•
p
p
d
dr
p 为宾哈粘度，
也称刚度系数。
当 τ <τy时，材料完全不流动；
•
＝0，ηp＝œ
τ >τy时，呈现流动行为。
如：牙膏、油漆、润滑脂、泥浆、下水污泥、聚合物浓溶液、凝胶性 糊塑料等永久变形保存下来， 即这种流动变形具有典型塑性形变的特征，故又常将宾汉流体称为塑 性流体。
切速率的比值称为表观粘度ηa。
2、稳态流动和非稳态流动
稳态流动，是指流体的流动状况不随时间而变化的流动， 其主要特征是引起流动的力与流体的粘性阻力相平衡，即 流体的温度、压力、流动速度、速度分布和剪切应变等都 不随时间而变化。
反之，流体的流动状况随时间面变化者就称为非稳态流动。
聚合物熔体是一粘弹性流体，在弹性形变达到平衡之前， 总形变速率由大到小变化，呈非稳态流动；而在弹性变 形达到平衡后，就只有粘性形变随时间延长而均衡地发 展，流动即进入稳定状态。
第二章 聚合物的流变行为
2.1 概述 2.2 剪切粘度和非牛顿流动 2.3 拉伸粘度 2.4 温度和压力对粘度的影响 2.5 弹性
第一节：聚合物熔体的流变行为
研究物质形变与流动的科学称为流变学。 聚合物流变学：认识应力作用下高分子材料产生弹性、塑性和 粘性形变的行为以及研究这些行为与各种因素之间的关系。
牛顿流体的流动曲线 是通过原点的直线，该直
•
线与 轴夹角θ的正切值
为牛顿粘度值。
图2-2 牛顿流体的流动曲线
（2）湍流（又称紊流） 如果流动速度增大且超过临界值时，则流动转为湍流。
湍流时，液体各点速度的大小和方向都随时间而变化。此时 流体内会出现扰动。
雷诺数：Re>4000 聚合物流体和聚合物分散体的流动 Re<2300，因此为层 流。 聚合物流体在成型加工过程中，表现的流动行为不遵从 牛顿流动定律，称为非牛顿型流体，其流动时剪切应力和剪
加工过程中聚合物的流变性质主要表现为粘度的 变化，所以聚合物流体的粘度及其变化是聚合物 加工过程最为重要的参数。
根据流动过程聚合物粘度与应力或应变速率的关系， 可以将聚合物的流动行为分为两大类：
（1）牛顿流体，其流动行为符合牛顿流动定律； （2）非牛顿流体，其流动行为不符合牛顿流动定律。
一、 剪切粘度和非牛顿流动
Re D 2100 2300
聚合物流体的粘度大，流速低，Re<2100，一般为层流。
当有剪切应力τ（N/m2或Pa）于定温下施加到两个相距为 dr的流体平行层面并以相对速度dυ运动，则剪切应力与剪切 速率dυ/ dr（s-1）之间呈直线关系。
牛顿流动定律：
d
dr
•
dr dt
η为比例常数，称为切变粘度 系数或牛顿粘度，简称粘度， 单位为：Pa.s
聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。 如：聚合物在挤出机、口模、注射机、喷嘴、流道等中的 流动。
聚合物在加工过程中受到拉应力作用引起的流动称为拉伸 流动。如：拉幅生产薄膜、吹塑薄膜等。 加工中流体静压力对流体流动性质的影响相对来说不及前 两者显著，但它对粘度有影响。
在实际加工过程中材料受力非常复杂，往往是三种简单应 力的组合。实际应变也是多种应变的迭加。
对聚合物流体流变性的研究，一般都假定是在稳态条件 下进行的。
3、等温流动和非等温流动
等温流动，是指在流体各处的温度保持不变情况下的流动。 在等温流动的情况下，流体与外界可以进行热量传递，但 传入和传出的热量应保持相等。
在塑料成型的实际条件下，聚合物流体的流动一般均呈现 非等温状态。
4、拉伸流动和剪切流动
（二）、非牛顿型流体及其流变形为
1、粘性系统
不同类型流体粘性流动 时的τ随γ 变化的关系 曲线，称为流动曲线或 流变曲线。
粘性系统在受到外力作 用而发生流动时的特性 是：其剪切速率只依赖 于所施加剪切应力的大 小。
（1）宾汉流体
与牛顿流体相比，剪切应力与剪切速率之间也呈线性关系。但此 直线的起始点存在屈服应力τу，只有当剪切应力高于τу时，宾汉流体才 开始流动。
聚合物在成型加工过程中的形变是由于外力作用的结果，材料受力后内 部产生与外力相平衡的应力。
随受力方式的不同应力通常有三种类型： 剪切应力：τ 拉伸应力：σ
流体静压力：P
材料受力后产生的形变和尺寸改变（即几何形状的改变）称为应变γ。
单位时间内的应变称为应变速率： d
dt
在上述三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、简单的 拉伸和流体静压力的均匀压缩。