聚合物流变学基础

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1、第四章聚合物流变学基础聚合物从合成到最终材料与制品之间要经过一个复杂的工艺过程。这个过程包括了聚合物共混、复合、化学改性与成型。共混、复合与改性成型聚合物高分子材料制品聚合物加工材料的流变性质钢橡皮泥水硅橡胶h弹性塑性粘性粘弹性elasticplasticviscousviscoelastic第一节聚合物熔体的流动一、流动类型1.层流和湍流聚合物成型时，高粘度熔体呈现层流状态，Re£1。熔体经小浇口注射进入模腔，出现弹性湍流。2.稳定流动与不稳定流动稳定流动：流体的流动状况以及影响流体流动的因素均不随时间而变化。不稳定流动：流体的流动状况以及影响流

2、体流动的因素均随时间而变化。3.等温流动和非等温流动等温流动：流体各处温度均不随时间而变化的流动。非等温流动：流体各处温度均随时间而变化的流动。4.一维流动、二维流动和三维流动一维流动：流体内质点的速度仅在一个方向上变化。如：等截面圆形通道内的层状流动二维流动：流体内质点的速度在两个方向上变化。如：等截面矩形通道内的层状流动三维流动：流体内质点的速度在三个方向上变化。如：变截面(锥形)通道内的层状流动5.拉伸流动和剪切流动聚合物流体的两种最简单流动是简单剪切流动和简单拉伸流动。拉伸流动：流体质点的速度沿着流动方向发生变化。单轴拉伸¾合成纤维拉丝双轴

3、拉伸¾薄膜吹塑、中空吹塑剪切流动：流体质点的速度垂直于流动方向而变化。拖曳流动¾压延成型、涂覆成型由边界运动而产生压力流动¾挤出成型、注射充模由外力作用而产生流体的速度分布拉伸流动剪切流动SFFSs=F/St=F/S二、非牛顿型流动1.牛顿流体流体粘度不随剪切速率或剪切应力而变化的粘性流体称为牛顿流体。其流变方程为t=hg&剪切应力粘度剪切速率牛顿流体是纯粘性流体，粘度与温度相关。低分子化合物的气体、液体或溶液属于牛顿流体。流动曲线：剪切应力与剪切速率的关系曲线。膨胀性流体：粘度随剪切速率或剪切应力的增大而升高的剪切增稠流体。其流变方程(幂律函数方

4、程)为非牛顿指数(n>1)表观粘度nt=Kg&=hag&K、n和ha与温度有关高固含量悬浮液、高浓度聚合物分散体、高填充塑料熔体属于膨胀性流体。宾哈流体：流体静止时内部有凝胶性结构，使得流动前存在剪切屈服应力。其流变方程(幂律函数方程)为t-t=hg&(t>t)ypy聚合物浓溶液和凝胶性糊塑料属于宾哈流体。假塑性流体：粘度随剪切速率或剪切应力的增大而降低的剪切变稀流体。其流变方程(幂律函数方程)为非牛顿指数(n<1)表观粘度nt=Kg&=hag&K、n和ha与温度有关橡胶和大部分塑料的熔体和溶液属于假塑性流体。三、非牛顿流体的特性1.爬杆现象在盛有

5、聚合物流体的烧杯里旋转一根棒，液面呈现凸形。它是由被拉伸了的大分子链所引起的法向应力差造成的。锥板流变仪的工作原理与此相关。2.出口胀大当聚合物熔体从口模中挤出时，挤出物的截面尺寸往往大于口模尺寸。这是被拉伸了的大分子链的记忆特性所引起的。与挤出模具的设计有关。3.入口效应入口压力效应压力降聚合物从大直径料筒进入压力dp小直径口模时，会产生很大的压dl力降，此现象称为入口效应。这口模长度主要是由于聚合物熔体在入口处产生弹性变形，因弹性能量的储压力传感器蓄所造成的能量消耗。4.熔体破裂聚合物经口模挤出成型时，随着剪切速率的逐渐增加，挤出物表面逐渐粗糙

6、，甚至断裂成碎片或柱段的现象称为熔体破裂。这主要是由于聚合物熔体流动时在口模壁上滑移和口模对挤出物产生周期性拉伸作用。5.二次流动当聚合物流体在一椭圆形截面的管子中流动时，除了轴向流动外，有可能出现对称于椭圆两轴线的环流。它是由第二法向应力差所引起，与大分子链被拉伸的程度相关。6.应力过冲与应力松弛对聚合物流体突然加上一个剪切速率，其剪切应力先趋向一个最大值，然后再减小至它的稳定值。在稳定情况下突然停止流动，聚合物流体的应力不会立即等于零，而是有一个应力松弛过程。7.湍流减阻与渗流增阻高分子量的聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺的稀溶液具有湍流减阻作用。这是由

7、于亲水高分子链在水溶液中有很大的流体动力学体积，从而减小了湍流强度。当聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺的稀溶液流经多孔介质时，渗流可使亲水高分子链经历拉伸流动，产生较大的粘度，从而起到了阻流的作用。8.无管虹吸将一根管子插入盛有粘弹性流体的容器中，并将流体吸入管中。在流动过程中，将管子慢慢地从容器中提起，当管子离开液面后，仍然有液体流入管子。9.触变与震凝某些非牛顿流体的粘度不仅倚赖于剪切速率，而且倚赖于剪切作用的持续时间。如果剪切速率不变，流体粘度随时间的增加而减小，称为触变流体；反之，在恒定剪切速率下，流体的粘度随着时间的增加而增加，称为震凝流体。上述例

8、子中所呈现的各种流动行为都与聚合物的流变特性相关，需要有相关的流变模型来描述。这类模型被称为聚合物本构模型，其数学方程叫做