5 三章 聚合物液体在管和槽中的流动

3.1在简单几何形状管道内聚合物液体的流动一、聚合物液体在圆管中的流动二、聚合物液体在狭缝通道中的流动三、聚合物液体的拖曳流动和收敛流动3.2聚合物液体流动过程的弹性行为3.3聚合物液体流动性测量方法简介第三章聚合物液体在管和槽中的流动一、端末效应二、不稳定流动和熔体破裂现象聚合物成型加工时的流动类型层流和湍流：聚合物熔体在加工时Re1，为层流。但在口模出口可能出现弹性湍流。稳定流动和不稳定流动：流动状态不随时间而改变的流动称为稳定流动。如:挤出成型时为稳定流动，注射模塑的充模过程为不稳定流动。等温流动和非等温流动：等温流动是指流体在各处的温度保持不变的流动。聚合物成型时通常为非等温流动，但常将某一局部的流动当作等温流动处理。拉伸流动和剪切流动：按照流体内各质点速度分布与流动方向的关系划分。F1F2F3L2Rr3.1在简单几何形状管道内聚合物流体的流动假设：液体不可压缩、等温流动、稳定流动、在管壁不滑移。一、液体在圆管中的流动1、牛顿液体在圆管中的流动F1+F2+F3=0-F3=F1+F22r2rLrPrrrP2L半径处的剪应力剪应力分布流速分布rrrP2L半径处的剪应力R0RP2L管轴处管壁处的剪应力最大rrdrPdr2L半径处的剪切速率22r0RPdrPP(Rr)rdrdr2L4Ldr2L半径处的流速利用管壁处流速为零的边界条件，对=-积分：:22P(Rr)4L202r0RP4Lrr1R管中心流速最大:半径处流速:=-将上式对整个截面S积分得容积流率：SR004R220QdS2rdrPRP(Rr)rdr2L8L平均流速02242188/LPRRLPRSQ剪切应力、剪切速率、粘度、流速、容积流率的量纲分别是什么？22P(Rr)4LrrP2L剪应力R0RP2L管轴处管壁处的剪应力最大rP2L剪切速率200RP4L12管中心:平均流速:=4RPQ8L管径r处流速容积流率牛顿液体在圆管中的流动2、非牛顿液体在圆管中的流动rrPr2L半径处的剪应力:1/n1/n1/n1/nrPd2LdrPd=-rdr2Ln指数定律方程：KKKK1/nr1/nr0R1/nn+1n+1nnPdrdr2LnP(Rr)n12L利用管壁处流速为零的边界条件对上式积分得半径r处的流速：因此：1/n0maxnRRPn12Ln+1nr0r1R管中心处（r=0）：KKK将上式对整个截面S积分得容积流率：RRr001/n3QdS2rdrnRRP3n12L平均流速1/n20nRRP=Q/R3n12Ln+1=3n+11/nn+1n+1nnrnP(Rr)n12L压力降—Q关系？nn(3n1)3n1P2QRLnKKKrrP2L由1/n3nRRPQ3n12L1/nrr管壁处1/nr33n1QrnRRw33n1QnR得剪切速率—容积流率KKn+1nr0r1R20=Q/Rn+1=3n+1n+1nr23n1Qr1n+1RR速率—容积流率n+1nr0r1R0n+1=3n+1n+1nr3n1r1n+1R速率—平均速率不同n值时的速率分布n越小，管中心部分速率分布越平坦，曲线形状类似于柱塞—“柱塞流动”n+1nr0r1RWhy？聚合物熔体的n通常小于1，易发生柱塞流动而引起混合不良。柱塞流动时剪切作用小，均化作用差，制品性能差。剪应力呈线性分布，最大剪应力和剪切速率都在管壁处。聚合物熔体在管壁上可能存在滑移，使实际流速比计算流速高。rrP2L22P(Rr)4LrrP2LrP2L4RPQ8L液体在圆管中的流动n1/n3nRRPQ3n12L1/nrP2L1/nn+1n+1nnrnP(Rr)n12LrrP2L（为粘度常数）KKKKK二、聚合物液体在狭缝中的流动hh2WL2hWPhP/L2HWL圆环狭缝（周长远大于径差时）R0Ri平行板狭缝（W/2H10)1/nn1n1nnhn1n0nPHhn1Lh1H01/n2n12n1n1HPQ=WHHW2n1LKK聚合物液体在圆锥形通道中的流动θR1R2rLl1/n3nRRPQ=3n12Lnn(3n1)3n1dP2Qrdln圆管结果某一小段从R1到R2对r积分得：n3n3n21122L3n1PQ(RR)3n(RR)nKKK拖曳流动：液体流动的管道结构中的一部分能以一定速度和规律相对于其他部分进行运动。聚合物液体的流动除了受压力因素影响外，还受到管道运动部分的影响，随着管道的运动部分而移动，产生拖曳流动。此时液体的总流动是压力流动和拖曳流动的总和。例：螺杆挤出机中螺槽中的流动；挤出线缆包复物时环形口模中的流动1、拖曳流动压力流动：液体因受压力作用而引起的流动。三、聚合物液体的拖曳流动和收敛流动螺槽的三个壁面（X=0,x=W,y=0）流速为零。料筒壁面（y=H)流速最大。•螺杆该往哪个方向旋转？料筒壁的移动引起拖曳流动，流率为QD。机头处的压力引起压力流动，流率为Qpq=QD/QpQ=QD-QpZ轴方向：x轴方向：形成环流wzx管壁速率的分解2、收敛流动A，管径变小引起收敛流动：液体从大管流向小管时，流动方向（收敛）和流动速度（增速）都会发生变化，使流动液体中产生扰动和压力降。对聚合物液体产生抑制性拉伸作用。流线收敛角aB，外力拉伸：聚合物熔体从管道中流出并受外力拉伸时，熔体被拉长变细，产生收敛流动。这种非抑制性收敛流动通常称为拉伸流动。纺丝过程中的剪切流动和拉伸流动拉伸应变速率1ddLdtLdt拉应力dLLdtλ----拉伸粘度拉伸变硬：多数聚合物熔体的拉伸粘度随拉伸应变速率增大而增大。拉伸变硬有利于纤维、薄膜等的成形加工。应力对拉伸粘度的影响拉伸应力很小时(牛顿流体）单轴拉伸：双轴拉伸：030263.1在简单几何形状管道内聚合物流体的流动一、聚合物液体在圆管中的流动二、聚合物液体在狭缝通道中的流动三、聚合物液体的拖曳流动和收敛流动3.2聚合物液体流动过程的弹性行为3.3聚合物液体流动性测量方法简介第三章聚合物液体在管和槽中的流动一、端末效应二、不稳定流动和熔体破裂现象一、端末效应料筒PdiPenPex口模出口1，入口效应聚合物熔体通过一个狭窄的通道时，在其入口处会产生很大的压力降。P=Pen+Pdi+Pex原因：入口处流体发生收敛消耗一部分能量；聚合物熔体发生弹性变形而将一部分能量贮存为弹性能；流速增大，动能增加。入口修正：入口处压降一般相等于1—5倍管径长的一段管子的压降。通常取（L+3R）来计算压力降。2，离模膨胀由于弹性形变的恢复，被挤出的聚合物熔体离开管口后横断面变大。膨胀比B=d/D可能原因：1）取向效应：被挤出时聚合物熔体处于高剪切场内，大分子沿流动方向取向，在出口解取向。2）记忆效应：入口处产生弹性形变，出口处恢复。影响因素：聚合物性质、应变速率、温度、口模形状等。1）粘度大（分子量高）、分子量分布窄、非牛顿性强的聚合物离模膨胀明显。2）应力或应变速率的提高通常使离模膨胀更严重。3）温度降低时粘度增大、松弛时间延长，离模膨胀加剧。4）增大管子的直径、提高长径比、减小入口收敛角，能降低膨胀比。二、不稳定流动和熔体破裂PMMA，170degC在采用挤出或注射法加工聚合物时，当剪切速率较低时，挤出的液流的表面光滑、形状均匀。但是当剪切速率增加到某一数值时，挤出物表面甚至本体出现不规则现象，称为熔体破裂。熔体破裂会产生“鲨鱼皮”状表面。SharkskinInstability原因：周期性的滑动-粘附（slip-stick）1）液体流动时剪应力集中在管壁处，弹性能的分布不均匀，当弹性应力足以克服粘滞力时，液体会在管壁处产生滑移，出现弹性回复，从而引起弹性湍流。2）熔体的剪切历史的差异也可能引起不稳定流动（如死角处熔体的流入）。1）临界剪切应力通常为105Pa量级，并随温度的升高而略有增加。2）口模的入口角较小时临界剪应力较大3）临界剪应力随口模的长径比的增大而增大。影响因素：3.1在简单几何形状管道内聚合物流体的流动一、聚合物液体在圆管中的流动二、聚合物液体在狭缝通道中的流动三、聚合物液体的拖曳流动和收敛流动3.2聚合物液体流动过程的弹性行为3.3聚合物液体流动性测量方法简介第三章聚合物液体在管和槽中的流动一、端末效应二、不稳定流动和熔体破裂现象3.3聚合物液体流动性测量方法简介常见粘度计、流变仪的种类毛细管粘度计吸液式（10-3—102Pas）挤出式（10-1—107Pas）旋转粘度计（10-1—1011Pas）落球粘度计（10-5—103Pas）1，从指数定律方程及剪切应力的定义式出发，推导出非牛顿流体在圆管中流动的流速以及容积流率的表达式、画出剪切应力和流速分布示意图。2，简要说明什么是入口效应、离模膨胀效应、熔体破裂现象，其原因是什么？如何减轻或避免这些现象？第三章复习题