聚合物液体在管和槽

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1、第三章聚合物液体在管和槽中的流动聚合物可以采用各种各样的加工方式，如：注射、挤出、吹塑、模压或压延等。尽管加工与成型设备种类繁多，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、矩形、梯形及椭圆形等)的管道所构成。圆形与狭缝形管道聚合物流动方式的分类1.按外力作用方式分类压力流动——聚合物液体在圆形管道中因受压力作用而产生的流动。特点：只受剪切力，粘度高，稳定流动，只有压力降。收敛流动——聚合物在截面尺寸逐渐变小的锥形管道中的流动。特点：剪切力和拉伸力作用。拖曳流动——

2、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，而聚合物随管道和口模的运动部分而运动。特点：压力降及流速分布受运动部分的影响。2.按流动方向分类一维流动——速度只在一个方向上变化，即垂直于流动的方向。如圆管、宽平行板狭缝口模、间隙小的环形口模。二维流动——管道断面上各点的流动速度均垂直于流动的方向。如矩形口模、椭圆形口模。三维流动——在锥形或收缩管道中流动时，速度既有沿垂直流动方向的运动，也有沿流动方向的流动。如收敛流动。第一节在简单几何形状管道内聚合物液体的流动聚合物液体的流变行为很复杂，所受的

3、影响因素很多：聚合物体积可压缩——密度将发生变化（Vf的存在）；在高剪切作用下，液体在管壁处会产生滑动——粘度变化；流道各处温度不同（粘度、密度、流速、体积流率等变化）。但大多数聚合物的粘度很高，雷诺准数不大，为简化分析计算过程，进行四个假设：（1）液体不可压缩（2）等温流动（3）管壁处无滑移（4）粘度不随时间变化实践证明假设可行，影响不大。一、聚合物液体在圆管中的流动具有均匀圆形截面且沿管轴方向半径均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。如注射设备的喷嘴、浇口或流道，挤出机机头通道或

4、口模以及纤维纺丝的喷丝板孔道等大多采用圆形截面。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液柱单元受力分析：A向B流动，有压力降F1：自A向B流动的推力F2：粘滞作用阻力；F3：外侧剪切流动阻力稳态流动时即：整理得：管中心处r=0时，τ=0管壁处r=R时，即说明：剪应力在液体中的分布与半径r成正比。剪应力剪应力分布流速v牛顿流体满足方程则管中心处r=0时，管壁处v=0平均流速任意处液体流速分布说明牛顿流体在圆形管道中流动时速度分布呈抛物线形体积流动速率Q液体在管中流动

5、时流速为剪切速率所以管壁处的剪切速率为：任意半径处的剪切速率为：（二）非牛顿液体在简单圆形管中的流动大多数聚合物液体都是典型的非牛顿液体，仍为层流稳态流动，引入非牛顿指数n，得出经验公式。剪应力与牛顿液体一样。任意半径处的流速：圆管中心处速度：平均流速：体积流动速率：任意半径处的剪切速率：圆管中任一半径处速度与平均速度的关系：根据上试，取不同的n值，以vr/v对r/R作图可得流速分布曲线。n=1为牛顿液体，曲线为抛物线；n>1为膨胀性液体，n越大，曲线越接近锥形n<1为假塑性液体，n越小，曲线越接近柱塞形，这

6、种流动称为柱塞流动。n值不同时圆管中流动液体的速度分布圆形管中的柱塞流动速度分布宾汉液体具有更明显的柱塞流动特征将其流速分布分为两部分：中心：rr*，г>гy，剪切流动；r=r*，г=гy，过度区柱塞形流动（a）与抛物线形流动（b）的比较由于柱塞流动中液体受到的剪切力作用小，所以混合效果差，制品性能不好，抛物线流动中有旋涡的存在，混合效果好。如：PVC、PP柱塞流动PE无柱塞流动，染色均匀。可看出，非牛顿流体在圆管中的流动是稳的。剪应力呈线性分布，管壁处剪应力

7、和剪切速率最大，中心流速最大。实际情况：管壁处流速不为零。原因：1、有滑动存在。2、加入润滑剂，滑动变大。（PVC加入硬脂酸）3、悬浮液可能分层，管壁粘度较小。4、分子量分布宽的聚合物，低分子物质趋向管壁。图3-5（三）圆管中的非等温流动等温流动在实际中有误差，不等温的原因有：工艺上人为使其不等温聚合物加工常在高温下进行，高温及剪切热易引起降解。为避免此类现象，在每个区段加工温度不同，如挤出机。剪切产生摩擦升温剪切力分布呈直线梯度分布，剪切力不同，摩擦热不同，温度升高。流动过程中有压力降而冷却压力降低，聚合物

8、体积膨胀而吸热，聚合物冷却。壁面的热传导温度在管子中的分布——Toor半经验公式图3-6二、聚合物液体在狭缝通道中的等温流动所谓狭缝通道是指那些厚度远比宽度小得多的通道。最典型的代表是挤出板材或薄片的平直口模。当圆形环口的圆周长比口模间隙(即厚度)尺寸大得多的情况，亦即构成环形口模的外径R0与内径只Ri接近时，也可以当成狭缝通道来处理。吹塑管形薄膜和挤出大尺寸圆管的口模属于这种情况。生产流涎薄膜的口