第二章 聚合物加工基本原理

第二章聚合物加工基本原理第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1聚合物的加工性質2.2聚合物的流變性質2.3聚合物流體在管和槽中的流動2.4聚合物在加工過程中的物理和化學變化CONTENTS（6學時）第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3聚合物流體在管和槽中的流動2.3.1在簡單幾何形狀管道內聚合物流體的流動2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為

第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3聚合物流體在管和槽中的流動基本流動類型：1、層流和湍流2、穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動3、等溫流動和非等溫流動4、一維流動、二維流動和三維流動5、拉伸流動和剪切流動準備知識第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：1、層流和湍流（按流體在在管道中的流動狀態(tài)）

（a）層流（b）湍流層流（黏性流動或流線流動）特征：流體的質點沿著平行于流道軸線的方向相對運動，與邊壁等距離的液層以同一速度向前移動，不存在任何宏觀的層間質點運動，所有質點的流線均相互平行。湍流（紊流）特征：流體的質點除向前運動外，還在主流動的橫向上作不規(guī)則的任意運動，質點的流線呈紊亂狀態(tài)。第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：流體的流動狀態(tài)由層流轉變?yōu)橥牧鞯臈l件：式中：Re——雷諾數，為一無量綱的數群；

D——管道直徑；

ρ——流體密度；

v——流體速度；

η——流體剪切黏度；

Rec——臨界雷諾數，其值與流道的斷面形狀和流道壁的表面粗糙度等有關，光滑的金屬圓管Rec=2000～2300。

大多數聚合物流體，尤其是熔體，粘度很大，Re不大于10，一般為層流。但是，在特殊場合，如經小澆口注射進大型腔，由于剪切力過大等原因，也會出現彈性湍流。上式討論：Re與v成正比與η成反比，v越小、η越大就越不易呈現湍流狀態(tài)。第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：2、穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動是指流體的流動狀態(tài)不隨時間而變化的流動，其主要特征是引起流動的力與流體的粘性阻力相平衡，即流體的溫度、壓力、流動速度、速度分布和剪切應變等都不隨時間而變化。如正常操作的擠出機中熔體的流動。非穩(wěn)態(tài)流動流體的流動狀況隨時間而變化的流動。聚合物熔體是一彈性流體，在受到恒定外力作用時，同時有粘性形變和彈性形變發(fā)生。在彈性形變達到平衡之前，總形變由大到小變化，呈非穩(wěn)態(tài)流動；而在彈性形變達到平衡后，就只有粘性形變隨時間延長而均衡地發(fā)展，流動進入穩(wěn)定狀態(tài)。通常注射充模時熔體的流動。第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：3、等溫流動和非等溫流動等溫流動：是指在流體各處的溫度保持不變的情況下的流動。在等溫流動的情況下流體與外界可以進行熱量傳遞，但傳入與傳出的熱量應保持相等。非等溫流動：工藝要求各段溫度不同；由于粘性液體流動過程中有能量耗散的升熱效應、應力下降引起的流體體積膨脹產生吸熱效應，這些都使流道軸向上產生溫度差。在塑料成型的實際條件下，聚合物一般均呈非等溫流動。但是在一定的流道長度及一定時間范圍內，將聚合物的成型過程當做等溫流動處理，不會引起過大偏差，可以使流動分析大為簡化。第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：一維流動：流道內質點的速度僅在一個方向上變化。如：聚合物流體在等截面圓管內做層流時，其速度分布僅是圓管半徑的函數，是一個典型的一維流動。二維流動：流道截面上各點的速度需要用兩個垂直于流動方向上的坐標表示。如流體在矩形流道內流動，其速度在高度和寬度方向都發(fā)生變化。三維流動：流體流速要用三個相互垂直的坐標表示。如流體在錐形流道或其它截面逐漸縮小的通道流動，其質點的速度不久沿通道截面縱橫兩個方向，而且也沿主流動方向發(fā)生變化。4、一維流動、二維流動、三維流動---流速分布特征第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：5、拉伸流動和剪切流動

流體流動時，即使是層流，各點的流速也不會相同，我們把各點速度的變化方式稱為速度分布。按質點流動方向上速度不同：拉伸流動和剪切流動。拉伸流動：質點速度沿流動方向發(fā)生變化。單軸拉伸特點是一個方向伸長，另兩個方向縮短。如生產纖維、扁絲等。雙軸拉伸特點是兩個方向同時拉伸。如中空吹塑、薄膜生產等。流動方向第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：剪切流動：質點速度沿流動方向的垂直方向發(fā)生變化。流動方向壓力流動——聚合物流體在圓形等簡單形狀管道中因受壓力作用而產生的流動稱為壓力流動，流動中液體只受到剪切作用，并且由于粘度很高，通常情況下都是穩(wěn)態(tài)流動。第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月基本流動類型：收斂流動：聚合物液體在具有截面尺寸逐漸變小的管道中(如錐形)流動。不僅受剪切作用，而且還有拉伸作用。拖曳流動：如果液體流動的管道或口模的一部分能以一定速度和規(guī)律進行運動時(相對于靜止的部分)，則聚合物還將隨管道或口模的運動部分產生拖曳流動，它也是一種剪切流動，但液體在管道中的壓力降及流速分布將受運動部分的影響。如：聚合物在擠出機螺槽中的流動以及在生產線纜包復物在口模中的流動。第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1在簡單幾何形狀管道內聚合物液體的流動推導管道中流動參數間的關系式假設條件流體不可壓縮；

實際上流體內有自由體積，有百分之幾的壓縮率

流動是等溫過程；

實際管道各部分不可能很均勻液體在管道壁面不產生滑動(即壁面速度等于零)；

剪切速率很高時會滑移，這種滑移會增加流速液體的粘度不隨時間而變化，并在沿管道流動的全過程中其它性質也不發(fā)生變化1、管2、縫第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、聚合物流體在圓管中的流動

牛頓流體-------只產生一維的剪切流動推導流體在管中的剪切應力分布方程和流速分布方程F1

推動液體有A流向B的動力

F2阻力來自于液體的粘滯性F3

液體表面的剪切阻力推動液體的動力在ZA----ZB方向由P----降到P0液體單元的壓力降在----------------穩(wěn)態(tài)流動時：∑(F1+F2+F3)=0ZALPF1F2P′P′-△P′

F3dlrP0ZBP′-△P′

P′推導剪切應力分布方程：第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月整理=在管全長范圍內剪切應力是半徑的線性函數τ剪切應力分布方程這樣分布第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月推導流速分布方程：牛頓流體將代入，積分牛頓流體∵∴分布與分布相同剪速率分布這樣分布第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月非牛頓流體

從上述推導過程中可以知道:剪切應力分布應沒有變化速度分布與n有關

非牛頓流體

第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月n<1假塑性非牛頓液體n＞1膨脹性非牛頓液體n值不同時圓管中流體速度分布nPVC、PP是典型的柱塞流牛頓流體第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月n:非牛頓指數n=1牛頓液體，速度分布曲線為拋物線形；n＞1膨脹性非牛頓液體，

速度分布曲線變得較為陡峭，n值愈大，愈接近于錐形；n<1假塑性非牛頓液體，,分布曲線則較拋物線平坦。n愈小，管中心部分的速度分布愈平坦，

曲線形狀類似于柱塞，故稱這種流動為“柱塞流動”(Plugflow)。第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3聚合物流體在管和槽中的流動應用：柱塞流動中聚合物不易得到良好混合。題:若擁擠出的方法對聚合物進行染色，PE、PP那個容易？

第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、聚合物液體在狹縫中的等溫流動

狹縫的概念：寬＞＞厚10如板、片口模；管模R0≈Ri與在管中的思路一樣：取單元---受力分析---得τ；再依速率是速度梯度，積分得速度分布。推導流體在狹縫中的剪切應力分布方程和流速分布程第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

液柱單元受到的推動力為F1-F2=2WhΔp′，受到上、下兩液層的摩擦阻力為F3=2Wdlτh，在達到穩(wěn)態(tài)流動后，有2Wdlτh=2WhΔp′。2Wdlτh=2WhΔp′推導剪切應力分布方程：整理這樣分布第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2聚合物液體在狹縫中的等溫流動

剪切速率分布為：牛頓流體？將式代入，整理這樣分布與應力分布相同第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月推導流速分布方程將式代入，整理積分這樣分布第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、

聚合物液體在狹縫中的等溫流動特點：a、等速線平行于長邊，并且沿斷面寬度W的大部分彼此平行，這一部分為一維流動；b、在狹縫的兩個邊緣區(qū)域等速線呈對稱的彎曲線，這兩個區(qū)域流體的流速不僅沿著y軸變化，而且沿著x軸變化，因此為二維流動。平行板狹縫通道中聚合物的速度分布：第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、聚合物流體的拖曳流動和收斂流動拖拽流動擠出機中：螺槽的三個面相對靜止，料筒壁相對螺槽運動，

方向為Z即出料方向-------------的物料：在螺槽的三個壁面上υ=0；在料筒壁上流速最

大且=料筒移動速度這部粉料流稱拖拽流

還有一部分壓力流合流第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、聚合物流體的拖曳流動和收斂流動拖拽流QD壓力流QP漏流QL環(huán)流總流率=QD-QP-QL第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、聚合物流體的拖曳流動和收斂流動收斂流動對于大多數聚合物，剪切時：

拉伸時：這個特性對紡絲吹膜以及材料的熱成型均有利第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為

大多數聚合物在流動中除表現為粘性行為外，還不同程度地表現出彈性行為。其中最常見的彈性行為有端末效應和不穩(wěn)定流動及熔體破裂現象。(與上一章爬桿等對應，在工程管道中)一、端末效應

1、入口效應2、離模膨脹效應（巴拉斯效應）第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為1.入口效應

聚合物熔體在管道入口端因出現收斂流動，使壓力降突然增大的現象。熔體從大直徑管道進入小直徑管道，需經一定距離Le后方能穩(wěn)態(tài)流動。聚合物流體在管道入口區(qū)域和出口區(qū)域的流動Le——入口效應區(qū)長度，不同的聚合物和不同直徑的管道，入口效應區(qū)長度不相同。Le/D，表征產生入口效應范圍的大小。PP0P0小于P0第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為實驗證明層流條件下產生入口效應的原因：①.速度重排：聚合物以收斂方式進入小直徑管時，為保持體積流率不變，如果管壁處的流速仍保持為零就只有增大熔體內的速度梯度，才能滿足調整流速的要求，為此只有消耗適當的能量才能增大速度梯度；加之隨流速的增大，流動的動能也相應增大，這也使能量的消耗增多；②.彈性效應：熔體內的剪切速率增大，迫使聚合物大分子更大和更快的變形，而這種具有高彈性特征的形變，需克服分子內和分子間的作用力，也要消耗一定的能量。對牛頓型流體，Le約為0.05DRe非牛頓型的假塑性流體，Le在0.03～0.05DReRe——為雷諾數。第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為內經不變的管PP0P0小于P0

考慮流體入口效應后壓力降的計算：將入口端的額外壓力降看成是一段“相當長度”管道所引起的壓力降。計算壓力降時：長度為(L+6R)或(L+3D)這是比較粗略的計算，

入口壓力降計算相當長度第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為2.離模膨脹效應（即巴拉斯效應）——當聚合物熔體流出流道時，熔流發(fā)生體積膨脹的現象叫做離模膨脹效應。聚合物流體在管道入口區(qū)域和出口區(qū)域的流動離模膨脹特征：熔體剛脫離流道時，先發(fā)生很短一段的體積收縮（收縮比Ds／D≈0.7），然后才發(fā)生體積膨脹。收縮的原因：主要是速度再調整引起的。流體在管中流動時，徑向速度是不等的，由于管壁的約束，離開管壁時，失去了約束，徑向速度重新調整成等速，平均速度增大了。

流量=υ×截面積

速度增大，截面積縮小，直徑減小，收縮。第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為膨脹比B=Df/D（制品的直徑比口模直徑）對于圓形流道的聚合物熔體，其相對膨脹率在30％～100％。

離模膨脹被解釋為：彈性恢復df第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為（1）剪切應力和剪切速率：當剪切速率較低時，隨著剪切速率的提高，B提高，當剪切速率達到一定值后B下降。B開始下降時所對應的剪切速率稱為臨界剪切速率，當剪切速率超過臨界剪切速率后，熔體會產生不穩(wěn)定流動。（2）溫度：在剪切速率相同情況下，溫度提高，B下降，少數如PVC會使B上升。影響離模膨脹的因素：第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為（3）管道直徑和管長：增加管子直徑、提高管子的長徑比和減小入口端的收斂角，都會減少液體中的可逆形變，使B下降。

（4）如果截面形狀不對稱的管道，如平行狹縫管道，厚度方向的B大于寬度方向的B，且前者是后者的平方倍（5）粘度大，分子量分布窄，非牛頓性強的液體，在流動中易儲存彈性，膨脹嚴重，制品易變形，有內應力。第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為對加工不利：

巴拉斯效應的存在對成型是很不利的，特別是在注射成型、擠出成型中，將可能導致制品變形和扭曲，降低制品的尺寸穩(wěn)定性，并可能在制品中引入內應力，降低其物理力學性能。消除方法：增加口模平直部分長度，適當降低成型壓力和提高成型溫度，對擠出物加以適當速度的牽引或拉伸，均有利于消除或減小由于巴拉斯效應所帶來的不利影響。第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為二、不穩(wěn)定流動和熔體破裂現象

剪切速率增加不規(guī)則破碎螺旋形竹節(jié)形鯊魚皮狀現象：第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為可能的原因：壁上滑移；剪切速率大時、及各種原因引起的η壁降低；彈性恢復；入口端的旋渦流動；非牛頓性愈強的線形聚合物(聚丙烯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯等)，由于流速分布曲線呈柱塞形，液體在入口區(qū)域和管子中流動時的剪切作用是引起不穩(wěn)定流動的主要原因。非牛頓性較弱的聚合物(聚酯和低密度聚乙烯等)，流速分布曲線是近拋物線型，因而入口端容易產生旋渦流動，流動歷史的差異是這類聚合物產生不穩(wěn)定流動的主要原因。第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為

引起不穩(wěn)定流動的剪切應力和剪切速率分別稱為臨界切應力和臨界剪切速率。部分聚合物的臨界剪切應力和臨界剪切速率第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為影響因素：分子量與臨界剪切應力第41頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為

因此，對聚合物進行注射成型時，可用的溫度下限不是流動溫度，而是產生不穩(wěn)定流動的溫度。

溫度與臨界剪切應力第42頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月入口收斂角與臨界剪切應力通常收斂角均小于100，常在40左右2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為入口收斂角第43頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2聚合物流體流動過程的彈性行為彈性效應對制品性能的影響:影響：產生內應力，翹曲變形甚至開裂。