《非粘性流动》PPT课件

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1、第五章非粘性流动5.1聚合物熔体流动特性非牛顿型流动的流体称为非牛顿流体,它的粘度在一定温度范围内不再是一个常数,而且随剪切应力、剪切速率的变化而变化,甚至有些还随时间变化而变化。因此可将非牛顿流体分为纯粘性流动、粘弹性液体和有时间依赖的液体。1.粘度的剪切速率依赖性聚合物熔体的粘度对剪切速率有强的依赖性,主要有以下几类:根据τ—r函数关系的不同,粘性流体可分为宾汉流体,假塑性和胀塑性流体三种。A宾汉流体与牛顿型流体的流动曲线均为直线,但它不通过原点,只有当剪切应力超过一定屈服应力值之后才开始塑性流动。普通Bingham流

2、体例子:牙膏、油漆是典型的宾汉流体,牙膏的特点是不挤不流,只有外力大到足以克服应力时,才开始流出。油漆在涂刷过程中,要求涂刷时粘度要小,停止涂刷时要“站得住”,不出现流挂,因此要求屈服应力足够大,大到足以克服重力对流动的影响。B假塑性流体其流动曲线通过原点,即在很小的剪切应力下就开始流动,随剪切速率增加,流动曲线弯向切变速率坐标轴,剪切应力增加的速率降低,粘度随切应力、切变速率增大而降低,称为“切力变稀”的流体。橡胶、大多数热塑性塑料、聚合物溶液都属于此类。图2-12假塑性流体的流动曲线和粘度与切变速率关系典型高分子液体的

3、流动曲线如上图,当流动很慢时,剪切粘度保持为常数,随剪切速率的增大,剪切粘度反而减少。图中曲线大致可分为三个区域,OA段,剪切速率γ→0,τ→γ呈线性关系,流动性质与牛顿型流体相仿,粘度趋于常数,称零剪切粘度η0.这一区域称第一牛顿区。AB段,当剪切速率超过某一临界值γ后,材料流动性质出现非牛顿性,剪切粘度(实际上是表现剪切粘度η,即τ与γ曲线上一点与原点连线的斜率,后面将详细介绍)随剪切速率γ增大而逐渐下降,出现“剪切变稀”行为,这一区域是高分子材料加工的典型流动区。BC段,剪切速率非常高时,γ→∞时,剪切粘度又趋于另一

4、个定值η∞,称无穷剪切粘度,这一区域称第二牛顿区,通常实验达不到该区域,因为在此之前,流动已变得极不稳定,甚至被破坏。绝大多数高聚物熔体的η0,ηa,η∞有如下大小顺序η0>ηa>η∞从缠结理论来解释上述流动曲线。在足够小的γ下,大分子处于高于缠结的网状结构,流动阻力很大,此时,由于γ很小,虽然缠结结构能被部分破坏,但破坏的速率等于形成的速率,所以粘度保持恒定的最高值,表现为牛顿流体的流动行力;当剪切速率增高时,大分子在剪切作用下发生构象变化,开始解缠结并沿着流动方向取向。随着r的增大,缠结结构被破坏的速度越来越大于其形成

5、的速度,故粘度不为常数,而是随γ的增加而减小,表现出假塑性流体的流动行为;当γ再增大,达到强剪切状态时,大分子的缠结结构几乎完全被破坏,γ很高,来不及形成新的缠结,取向程度也达到极限状态,大分子的相对运动变得很容易,体系粘度达到恒定最低值η∞,第二次表现为牛顿流体的流动行为,因为η∞只和分子本身的结构有关,与拟网状结构不再相关。此外,从上图可见,牛顿流体的粘度不随γ而变化,但假塑性体粘度随γ而变化。正由于假塑性体的粘度随γ和τ而变化,为了方便起见,对非牛顿流体可用“表观粘度”描述其流动时的粘稠性,表观粘度ηa定义流动曲线上

6、某一点τ与γ的比值,即之所以加上“表观”二字,是因为高聚物在流动中包含有不可逆的粘性流动和可逆的高弹形变,使总形变增大,但粘度应该是只对不可逆形变部分而言的,所以表观粘度比真实粘度小。表观粘度并不完全反映流体不可逆形变的难易程度,只能对流动性好坏作一个大致相对的比较,表观粘度大,流动性小。C胀塑性流体主要特征是剪切速率很低时,流动行为基本上同牛顿型流体,剪切速率超过某一临界后,剪切粘度随增大而增大,呈“剪切变稠”。在流动曲线,流动曲线弯向切应力坐标轴。具有一定浓度的,颗粒形状不规则的悬浮体系,如高聚物—填料、聚氯乙烯糊属于

7、胀塑体。当增加时,整体颗粒成层并与邻近层相滑移,体系体积开始膨胀,由于体积膨胀,原先起润滑作用的分散介质不能充满间隙,而使部分固体颗粒相互直接接触,流动起来很困难,流动阻力增加,产生切力增稠现象。图2-13密集悬浮体系在剪切作用下的膨胀(A)静止下的悬浮体系,颗粒好象嵌入相邻空隙中(B)快速剪切下的悬浮体系,颗粒来不及进入层间空隙,各层沿邻层滑动将上述几种流体的流动曲线汇总到一张图中[τ—图][η—图]A牛顿流体B宾汉流体C假塑性流体D胀塑性流体2.熔体的弹性表现A.爬杆现象(结合书上的内容)如右图,与牛顿型流体不同,盛在

8、容器中的高分子液体,当插入其中的圆棒旋转时,没有因惯性作用(离心力)而甩向容器壁附近,反而环绕在旋转棒附近,出现沿棒向上爬的“爬杆”现象,这种现象称Weissenberg效应,又称包轴现象。挤出胀大现象指高分子被强迫挤出口模时,挤出物尺寸d要大于口模尺寸D,截面形状也发生变化的现象。挤出胀大现象影响挤出

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