聚合物在管和槽中的流动

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1、聚合物在管和槽中的流动根据聚合物材料性能的用途和特点，可以采用多种加工方法，如注射、挤出、吹塑、模压或压延成型 。由于加工成型设备的型式、结构和性能很不相同。所以聚合物液体在这些设备中会有很不相同而且往 往是很复杂的流变行为，除了设备的型式、结构和尺寸因素外，设备的加工精度和操作条件等也对液体 的流变行为有影响。尽管成型加工设备种类繁多，结构复杂，但这些设备的流道、口模或模具的形状仍是由一些截面形状 简单（如圆形、环形、狭缝形、矩形、梯形及椭圆形）的管道组成。聚合物加工过程中通过的流道，形 状无论如何复杂，都可看作是圆形与狭缝形管状的两种极端情况的一种过

2、渡组合。 由于液体粘滞阻力和管道摩擦阻力的作用，聚合物液体沿管道流动过程会出现压力降和速度变化。流 道的截面形状和尺寸改变也会引起液体中压力、流速分布和流率（单位时间内的体积流量）的变化。这 对设备所需功率、设备的生产能力以及聚合物有成型性能等都会产生影响。聚合物液体在简单形状管道 中的流动计算已经有了较为满意的方法，但在复杂形状的管道中流动计算，日前仍采用一些半经验的方 法，其计算方法就是以圆形、狭缝形简单形状管道的计算为基础经修正发展而来的。因此，本章将重点 分析和讨论这两种管道中的流动。聚合物液体在圆形等简单形状管道中因受压力作用而产生的流动称为压

3、力流动，流动中液体只受 到剪切作用，并且由于粘度很高，通常情况下都是稳态流动；另一种流动形式是聚合物在具有截面尺 寸逐渐变小的锥形管或其它形状管道中的收敛流动。这种流动不仅有剪切作用，而且还有拉伸作用。 如果液体流动的管道或口模的一部分能以一定速度和规律进行运动时（相对于静止的部分），则聚合物 还将随管道或口模的运动部分产生拖曳流动，它也是一种剪切流动，但液体在管道中的压力降及流速分 布将受运动部分的影响。聚合物在挤也机螺槽中的流动以及在生产线缆包复物等口模中的流动都有是拖 曳流动。下一页在简单几何形状管道内聚合物液体的流动在聚合物实际加工过程中，由于受

4、各种实际因素（流动中各部分温度的均匀性，高剪切下熔体在管壁 上的滑动）的影响，使流动分析和计算变得十分复杂，为了简化分析和计算过程，对服从指数定律的并 非通常情况下为稳定层流流动的聚合物液体，假设流动符合以下条件：（1）熔体为不可压缩的；（2）流动是等温过程；（3）熔体在管壁上不产生滑移；（4）熔体粘度不随时间而变化并在沿管壁流动的全过程中其它性质也不发生变化；21根据以上假设，下面描述熔体在两种管道中的具体情况。聚合物熔体在圆管中的流动具有均匀圆形截面且沿管轴方向半径保持恒定的简单圆形管道，是很多加工和成型设备中最常用的通 道形式，例如注射设备的喷嘴、

5、浇口或流道，挤出机的机头通道或口模以及纤维丝的喷丝板孔道等大多 采用圆形截面。和其它形状的通道比较，圆形管道开头简单，容易加工制造。在简单圆管中液体通常在 压力作用下只产生一维剪切流动。一:牛顿液体在简单圆管中的流动如图所示4-1聚合物液体由于受到外力P作用而在半径为R和长度为L的水平横放圆管中用稳定流动时， 作用在管中半径为r和长度为dl的圆形液体单上的力可分别用F1、F2和F3表示。F1是推动液柱单元由A 向B端移动的力，F2是和F1方向相反作用于液柱单元另一端的阻力（它来自于液体的粘滞性），F3是液 柱外侧表面上由于剪切作用而产生的阻力。显然，液体

6、中妨碍液体流动的阻力是沿管轴ZA-ZB方向耐增 加的，所以，克服这种流动阻力后，推动流动液体的压力也沿着ZA-ZB方向由P降低到P0，相应于液柱单 元上两侧的压力也由P`降低到P`-△P`在稳态层流时，作用于液柱单元上的力都处于平衡状态，所以 ∑F=F1+F2+F3=0式(4-1)中为液柱表面的剪应力。将上式移项并整理得到:式（4-3）说明，液体中的剪切力是半径距离r的线性函数。在管轴处（r=0），τ=0;在管壁处(r=R), τ为最大值,即: 在距管中心任意半径r处的剪切力τr处与管壁处最大剪切力τR的关系为: 式(4-5)说明,剪切力在液体中的分布与

7、半径距离成正比,并呈直线关系,如图(4-1)所示. 21　由牛顿在研究低分子液体的流动行为时,发现剪切应力和剪切速率之间存在着一定的关系.可 将式(4-3)代入(4-6)并积分,可得到描述液体沿管轴方向速度分布的Poiseuille方程:当R=0时,管中心液体的流速为:因而式(4-7)又可用V0来表示,则任意半径处液体的流速为:上式表明,牛顿液体在圆形管道中流动时具有抛物线形的速度分布,管中心处的速度最大,管壁处速度为 零,圆管中的等速线为一些同心圆(图4-1).平均速度是中心速度的一半,即 液体在管中流动时的容积流动速率(简称流率)为整理式(4-11)

8、可得:21将上式与(*)式比较,可见管壁处的剪切速率为:任意半径上的剪切速率可由