高分子材料流變學(xué).ppt

1、Qingdao University of Science and Technology Qingdao，2011,高分子材料流變學(xué),Rheology of Polymer Materials,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,王新 楊文君,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,研究高分子材料流變性的意義,高分子熔體和溶液具有流動(dòng)性和可塑性，是高分子材料可以加工成型不同形狀制品的依據(jù)； 研究流變規(guī)律性

2、，對(duì)于聚合工程和聚合物加工工程的合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化和正確操作，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗具有指導(dǎo)意義； 在當(dāng)前高分子工程中，流變學(xué)設(shè)計(jì)已成為分子設(shè)計(jì)，材料設(shè)計(jì)，制品設(shè)計(jì)及模具與機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分。,主要內(nèi)容,第1章 高分子液體的奇異流變性和流動(dòng)機(jī)理 11 奇異的流變性質(zhì) 12 高分子黏流態(tài)特征及流動(dòng)機(jī)理 第2章 高分子液體的基本流變性質(zhì) 21 基本物理量與基本流變函數(shù) 22 假塑性流體的流動(dòng)規(guī)律 23 關(guān)于“剪切變稀”和熔體彈性的說明 第3章 關(guān)于高分子液體黏彈性的討論 31 影響剪切黏度的主要因素 32 高分子液體彈性效應(yīng)的描述,第4章 剪切黏度的測(cè)量方法 41 毛細(xì)管流變儀測(cè)量表觀剪切黏度 42

3、 恒速式雙毛細(xì)管流變儀簡介 43 錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介 44 落球式黏度計(jì)的測(cè)量原理,第5章 高分子熔體流動(dòng)不穩(wěn)定性 51 擠出過程中的畸變和熔體破裂行為 52 紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象 第6章 加工成型過程的流變分析 6.1壓延工藝的流變分析 6.2擠出成型的流變分析 6.3 注射成型的流變分析,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,第一章 高分子液體的奇異流變性和流動(dòng)機(jī)理,11 奇異的流變性質(zhì),“剪切變稀”行為（shear-thinning）:多數(shù)高分子液體的黏度隨剪切速率增大而下降。 “剪

4、切變稠”效應(yīng)（shear-thickening）:呈少數(shù)高分子體系，如高濃度的聚氯乙烯塑料溶膠、高濃度填充體系等，黏度隨剪切速率增大反常地升高。 通常把具有“剪切變稀”效應(yīng)的流體稱假塑性流體（pseudoplastic fluid），具有“剪切變稠”效應(yīng)的流體稱脹流性流體（dilatant fluid）。它們均屬于非牛頓流體范疇。,1）高黏度與“剪切變稀”行為,2）擠出脹大現(xiàn)象,圖8-1 擠出脹大效應(yīng)示意圖,又稱口模膨脹效應(yīng)（die swell）或Barus效應(yīng),青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院

5、,3）爬桿現(xiàn)象（Weissenberg效應(yīng)）,又稱Weissenberg效應(yīng)。出現(xiàn)原因也被歸結(jié)為高分子液體是一種彈性液體，具有法向應(yīng)力差效應(yīng)。,圖8-2 高分子液體“爬桿”效應(yīng)示意圖,4）擠出畸變和熔體破裂現(xiàn)象,光滑 20 s-1,光滑 30 s-1,鯊魚皮畸變 100 s-1,鯊魚皮畸變 200 s-1,黏-滑轉(zhuǎn)變 300 s-1,螺紋狀畸變 800 s-1,螺紋狀畸變 1000 s-1,熔體破裂 2000 s-1,圖8-3 不同擠出速率下LLDPE熔體擠出物外觀照片,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程

6、 學(xué) 院,這些現(xiàn)象也與高分子液體的彈性有關(guān)。由于有彈性因此液體能承受拉伸形變，產(chǎn)生拉伸流動(dòng)，且拉伸液流的自由表面相當(dāng)穩(wěn)定。這是高分子液體具有良好紡絲（一維拉伸）和成膜（一維或二維拉伸）能力的根據(jù)。,5）無管虹吸，拉伸流動(dòng)和可紡性,圖8-4 無管虹吸和側(cè)壁虹吸效應(yīng)示意圖（N表示牛頓流體，P表示高分子液體）,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,1 .2 高分子黏流態(tài)特征及流動(dòng)機(jī)理,黏流態(tài),高分子材料的黏流態(tài)，指溫度處于黏流溫度（Tf）和分解溫度（Td）之間的一種凝聚態(tài)。從宏觀看，黏流態(tài)主要特征是在外力

7、場作用下，熔體產(chǎn)生不可逆永久變形和流動(dòng)。微觀看，發(fā)生黏性流動(dòng)時(shí)分子鏈產(chǎn)生重心相對(duì)位移的整鏈運(yùn)動(dòng)。,非晶態(tài)線形高分子材料的形變-溫度曲線示意圖 ML、MH分別代表低分子量和高分子量,低結(jié)晶度線形高分子材料的形變-溫度曲線示意圖 ML、MH分別代表低分子量和高分子量,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,研究表明，黏流態(tài)下大分子流動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)單元并不是分子整鏈，而是鏈段，分子整鏈的運(yùn)動(dòng)是通過鏈段的相繼運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 研究高分子黏流活化能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體分子量很低時(shí)，隨分子量增大而增大。分子量達(dá)到一定值后，值

8、趨于恒定。與該恒定值對(duì)應(yīng)的最低分子量相當(dāng)于由20-30個(gè)C原子組成的鏈段的大小，說明熔體流動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)單元是鏈段。,表8-2 部分聚合物的流動(dòng)溫度,流動(dòng)機(jī)理,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),第二章 高分子液體的基本流變性質(zhì),21 基本物理量與基本流變函數(shù),211 剪切應(yīng)力分量和法向應(yīng)力分量,實(shí)際材料受外力作用后內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。分析某點(diǎn)附近立方體三個(gè)正交獨(dú)立平面上的應(yīng)力綜合，就能完整描述該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。,圖8-6 單位立方體上各應(yīng)力 分量的位置關(guān)系,應(yīng)力,定義為外力或外力矩作用下材料內(nèi)部或表

9、面單位面積上的響應(yīng)力，單位為Pa（1Pa = 1N/m2）或MPa (1MPa = 106 Pa)。,應(yīng)力分兩類：一類應(yīng)力作用在相應(yīng)面元的法線方向上，稱法向應(yīng)力分量；一類應(yīng)力作用在相應(yīng)面元的切線方向上，稱剪切應(yīng)力分量。,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,高分子液體流動(dòng)時(shí)三個(gè)法向應(yīng)力分量互不相等，存在法向應(yīng)力差（normal stress difference）。通常定義兩個(gè)法向應(yīng)力差函數(shù)描寫這種性質(zhì)：,第一法向應(yīng)力差,第二法向應(yīng)力差,式中,稱偏應(yīng)力分量，p為各向同性水壓力。,剪切應(yīng)力,反應(yīng)了液體

10、流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦，表現(xiàn)為黏性。,法向應(yīng)力,反應(yīng)了液體所受的擠壓和拉伸，表現(xiàn)為彈性。,小分子液體流動(dòng)時(shí)，三個(gè)法向應(yīng)力相等，因此小分子液體無彈性，只有黏性。,三個(gè)法向應(yīng)力分量互不相等是高分子液體具有彈性的表現(xiàn)，因此高分子液體稱 黏彈性液體。法向應(yīng)力差函數(shù)可作為描述液體彈性的物理量。,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,212 速度梯度和形變速率,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的形變。在剪切流場中稱剪切速率（shear rate）；在拉伸流場中稱拉伸速率（elongation rate）。,形變速率,圖8-7 簡單剪切流

11、場示意圖,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,剪切流場下，流速方向與速度梯度方向垂直； 拉伸流場中流速方向與速度梯度的方向平行。,圖8-8 一維單軸拉伸流場（a）和二維雙軸拉伸流場（b）,（a） （b）,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,213 表觀剪切黏度,圖8-9 高分子熔體流動(dòng)曲線示意圖,為,特性：剪切變稀,如何處理？,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & En

12、gineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,2. 1. 4 第一、第二法向應(yīng)力差系數(shù),、,第二法向應(yīng)力差系數(shù),第一法向應(yīng)力差系數(shù),圖8-11 第1、第2法向應(yīng)力差曲線,N10，且隨剪切速率的增加而增大 N20，絕對(duì)值很小，通?？珊雎?青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,22 假塑性流體的流動(dòng)規(guī)律,221 假塑性流體的流動(dòng)曲線,圖8-13 假塑性高分子液體的流動(dòng)曲線示意圖,第一牛頓區(qū) 零剪切黏度 假塑性流動(dòng)區(qū) 第二牛頓區(qū) 無窮剪切黏度,青島科技大學(xué),School of Polymer

13、 Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,222 計(jì)算高分子液體黏度的經(jīng)驗(yàn)方程,Ostwald-de Wale冪律方程（power law）,冪律公式,流動(dòng)指數(shù)或非牛頓指數(shù),圖8-15 幾種聚合物熔體剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系 （測(cè)試溫度200）,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),大分子構(gòu)象改變說,23 關(guān)于“剪切變稀”和熔體彈性的說明,（a）剪切前 （b）剪切后 圖8-17 大分子鏈在切應(yīng)力作用下沿流動(dòng)方向取向,熵彈性 彈性/黏性形變共存,School

14、 of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),第三章 關(guān)于高分子液體黏彈性的討論,31 影響剪切黏度的主要因素,流場參數(shù)的影響（溫度T；壓力p；剪切速度或剪切應(yīng)力等） 大分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響（平均分子量；分子量分布；長鏈支化度等） 物料結(jié)構(gòu)及成分的影響（配方成分）,311 流場參數(shù)的影響,溫度的影響,Andrade方程（即Arrhenius方程） 適用條件：TTg+100, 黏流活化能,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),W

15、LF方程 適用條件：TgTTg+100,黏流活化能（flow activation energy）,黏流活化能：流動(dòng)過程中，流動(dòng)單元（鏈段）用于克服位壘，由原位置 躍遷到附近“空穴”所需的最小能量。,特性： 1. 反映材料黏度隨溫度變化的敏感性； 2. 與分子鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，與總分子量關(guān)系不大； 3. 剛性、極性、或含較大側(cè)基的材料，黏流活化能較高；而柔性較好的線形分子鏈材料黏流活化能較低。,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),剪切速率和剪切應(yīng)力的影響,剪切變稀，表征材料的黏-切依賴性。,曲線特征：

16、1）各材料的零剪切黏度高低不同，主要反映平均分子量的差別； 2）材料流動(dòng)性由線性行為轉(zhuǎn)入非線性行為的臨界剪切速率不同； 3）冪律流動(dòng)區(qū)的曲線斜率不同，即流動(dòng)指數(shù)n不同。,圖8-20 幾種高分子熔體在200的黏度與剪切速率的關(guān)系 -HDPE；-PS；-PMMA；-LDPE；-PP,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),312 分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,平均分子量的影響,Me 臨界纏結(jié)分子量,Fox- Flory公式,圖8-21 黏度與分子量M的關(guān)系,青島科技大學(xué),School of Polymer Scie

17、nce & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,規(guī)律： 1. 當(dāng)分布加寬時(shí)，物料的黏流溫度Tf下降，流動(dòng)性及加工行為有所改善； 2. 分子量分布寬的試樣，非牛頓流變性較為顯著。 在低剪切速率下，寬分布試樣的黏度，包括零剪切黏度往往較高； 隨剪切速率增大，寬分布試樣黏-切敏感性較大； 高剪切速率范圍內(nèi)，寬分布試樣的黏度可能反而更低。,分子量分布的影響,支化結(jié)構(gòu)的影響,圖8-23 支化與線形高分子材料的黏度,短支化：降低黏度 長支化：影響巨大且復(fù)雜,313 配合劑的影響,青島科技大學(xué),填充補(bǔ)強(qiáng)劑 ：炭黑、短纖維等增強(qiáng)（補(bǔ)強(qiáng)）材料，或各種無機(jī)材料 軟化增塑劑 ： 各種礦物

18、油、低聚物等,1）炭黑的影響,主要作用為： ）增黏效應(yīng)，使體系黏度升高； ）使非牛頓流動(dòng)性減弱，流動(dòng)指數(shù)n值升高。,2）碳酸鈣的影響,主要影響： ）增多體系內(nèi)部的微空隙，使材料內(nèi)部應(yīng)力集中點(diǎn)增加，加速破壞； ）使體系黏度增大，彈性下降，加工困難，設(shè)備磨損加快。,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,3）軟化增塑劑的影響,主要作用： ）增大分子鏈之間的間距，屏蔽大分子中極性基團(tuán)，減少分子鏈間相互作用力。 ）低分子量的軟化增塑劑可使發(fā)生高分子發(fā)生纏結(jié)的臨界分子量提高，纏結(jié)點(diǎn)密度下降，體系的非牛頓性減弱。,青島科技大學(xué)

19、,32 高分子液體彈性效應(yīng)的描述,321 可恢復(fù)形變SR,黏彈性流體形變及形變回復(fù)示意圖,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),322 擠出脹大比及口模入口、出口壓力降,圖8-27 擠出脹大現(xiàn)象的說明,擠出流場中分子鏈構(gòu)象發(fā)生顯著改變的位置： 1）口模入口區(qū) 2）口模內(nèi)部模壁附近,擠出脹大比B,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),入口壓力降主要由熔體經(jīng)歷彈性形變、儲(chǔ)存彈性能引起，可描述熔體彈性高低。 出

20、口壓力降表征熔體剩余彈性形變的大小。,入口壓力降 與 出口壓力降,（a）口模直徑1mm，表觀剪切速率=174s-1 （b）口模直徑1mm，T180 圖8-28 聚烯烴彈性體POE的擠出脹大比（a）和入口壓力降（b）,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,法向應(yīng)力差效應(yīng)是黏彈性流體的典型彈性效應(yīng)。,青島科技大學(xué),323 法向應(yīng)力差描述熔體彈性,圖8-29 聚乙烯樣品的第一法向應(yīng)力差 隨剪切應(yīng)力的變化,HDPE,2.20105,HDPE,1.68105,16,84,LDPE,4.00105,20,School of

21、Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),第四章 剪切黏度的測(cè)量方法,41 毛細(xì)管流變儀測(cè)量表觀剪切黏度,411 毛細(xì)管流變儀的基本構(gòu)造,圖8-31 毛細(xì)管及壓力傳感器的安排,恒速型（測(cè)壓力） 恒壓力型（測(cè)流速） 操作簡單，測(cè)量范圍寬,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),412 毛細(xì)管內(nèi)的流場分析,圖8-32 熔體在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)分析,1）剪切應(yīng)力的計(jì)算,受力平衡分析：,毛細(xì)管壁處的最大剪切應(yīng)力：,剪切應(yīng)力計(jì)算無需假設(shè)流體類型

22、,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),2）剪切速率和黏度的計(jì)算，Rabinowich-Mooney公式,牛頓流體，其本構(gòu)方程為：,剪切速率的測(cè)量和計(jì)算與流過毛細(xì)管的物料種類有關(guān)。,利用應(yīng)力計(jì)算公式，則有：,積分得：,根據(jù)上式的速度分布，積分求得物料流經(jīng)毛細(xì)管的體積流量Q,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,非牛頓流體，按照Rabinowich-Mooney修正公式計(jì)算其在管壁處的剪切速率：,對(duì)于符合冪律方程的高分子

23、熔體，公式簡化為：,青島科技大學(xué),式中，n為非牛頓指數(shù)。,對(duì)照最大應(yīng)力計(jì)算公式，可知：,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),3）入口壓力校正，Bagley修正,入口壓力降和出口壓力降都對(duì)剪切應(yīng)力計(jì)算產(chǎn)生影響，但入口壓力降的影響更為顯著，需進(jìn)行Bagley校正。,圖8-33 料筒與毛細(xì)管中物料內(nèi)部壓力分布示意圖,實(shí)測(cè)壓力降包含三部分：,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,Bagley校正原理,中心思想：保持毛細(xì)管上真

24、實(shí)的壓力梯度不變，將毛細(xì)管虛擬地延長，使入口壓力降以相同的梯度降在虛擬延長的長度上。,圖8-34 實(shí)驗(yàn)確定Bagley修正因子示意圖,設(shè)毛細(xì)管虛擬延長長度為LB，記為：,真實(shí)壓力梯度應(yīng)為：,剪切應(yīng)力計(jì)算公式修正為：,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),42 恒速型雙毛細(xì)管流變儀簡介,構(gòu)造和使用特點(diǎn)： 兩個(gè)相同的料筒，下端分別安裝壓力傳感器。 2. 兩個(gè)料筒下方分別安裝普通毛細(xì)管和零長毛細(xì)管。 兩毛細(xì)管的入口區(qū)形狀相同。 3. 測(cè)量時(shí)，兩料筒中的柱塞同時(shí)以等速推進(jìn)，將熔體分別擠出兩根毛細(xì)管。兩壓力傳

25、感器分別測(cè)量擠出時(shí)的壓力變化。 4. 可直接測(cè)量入口壓力降。,圖8-35 雙毛細(xì)管流變儀結(jié)構(gòu)示意圖,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),43 錐板型轉(zhuǎn)子流變儀簡介,431 錐-板型流變儀測(cè)量表觀剪切黏度,圖8-36 錐-板流變儀結(jié)構(gòu)示意圖和球坐標(biāo)系,錐-板流變儀的優(yōu)點(diǎn)： 1.測(cè)量剪切黏度方法簡便，數(shù)據(jù)處理時(shí)無需作任何校正。 2. 計(jì)算方法不涉及流體種類。 3.錐體旋轉(zhuǎn)速度可以控制到很慢，較容易測(cè)出零剪切黏度。 4. 經(jīng)過改裝，能直接測(cè)量法向應(yīng)力差函數(shù)和液體的動(dòng)態(tài)黏彈性。,School of Pol

26、ymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),432 錐-板型流變儀測(cè)量液體的動(dòng)態(tài)黏彈性,1）高分子液體的動(dòng)態(tài)黏彈性,設(shè)高分子液體為線性體，交變應(yīng)力、應(yīng)變的振幅為小振幅。對(duì)高分子液體施以正弦變化的剪切應(yīng)變：,應(yīng)力響應(yīng)為：,復(fù)數(shù)剪切速率為：,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),定義高分子液體復(fù)數(shù)剪切模量為：,其中,貯能剪切模量,損耗剪切模量,損耗正切,School of Polymer Science & Engineering 高 分

27、子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,定義復(fù)數(shù)剪切黏度為,動(dòng)態(tài)黏度,其中,2）錐-板型流變儀測(cè)量液體的動(dòng)態(tài)黏彈性,圖8-38 HDPE DMDJ 4309的流變曲線（200）,圖8-39 PS STYRON 686的流變曲線（200）,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),44 落球式黏度計(jì)的測(cè)量原理,圖8-40 落球式黏度計(jì)示意圖 1-小球，2-測(cè)黏度管，3-加熱器，4-外套,小球下落時(shí)受到三個(gè)力作用：,重力,浮力,Stokes黏性阻力,三力平衡時(shí)：,可得，,School of Polymer Scie

28、nce & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,51 擠出過程中的畸變和熔體破裂行為,511 兩類畸變和熔體破裂現(xiàn)象,表面有規(guī)畸變，指畸變僅發(fā)生在擠出物表面，擠出物整體仍保持平直，畸變呈現(xiàn)某種規(guī)律性特征。 整體無規(guī)畸變，指擠出物不再保持平直，整體發(fā)生扭曲畸變，幾乎無規(guī)律性，嚴(yán)重的甚至發(fā)生整體粉碎性破裂，稱熔體破裂。,線形聚合物： 光滑表面表面有規(guī)畸變整體無規(guī)畸變 支化分子鏈聚合物：光滑表面整體扭曲畸變整體無規(guī)畸變,擠出畸變的分類,畸變

29、的演化順序,第五章 高分子熔體流動(dòng)不穩(wěn)定性,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,圖8-41 LDPE熔體擠出物表觀隨擠出速率的演變，150,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,（a）LLDPE-7047,（b）LDPE-2100TN00,圖8-42 LLDPE-7047（190）和LDPE-2100TN00（170C）的流動(dòng)曲線,區(qū)別：1. 線形聚合物熔體（a）發(fā)生表面黏-滑畸變時(shí)，流動(dòng)曲線經(jīng)常出現(xiàn)不

30、連續(xù)突變（曲線斷裂和斜率突變） 2.支化聚合物熔體（b）發(fā)生整體扭曲畸變和熔體破裂時(shí)，流動(dòng)曲線始終保持連續(xù)，斜率無突變。,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),（a）LLDPE-7047（190）,（b）LDPE-2100TN00（170）,圖8-43 擠出壓力隨擠出速率發(fā)展曲線,區(qū)別： 1. 線形聚合物熔體（a）在超過特定剪切速率后，入口壓力降平穩(wěn)但總擠出壓力發(fā)生振蕩。 （不穩(wěn)定區(qū)-口模內(nèi)） 2.支化聚合物熔體（b）在超過特定剪切速率后，入口壓力降振蕩，但總擠出壓力隨擠出速率平穩(wěn)發(fā)展。 （不穩(wěn)定區(qū)

31、-入口區(qū)）,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,1）擠出流場中擾動(dòng)源位置的分析,擾動(dòng)（disturbance）的發(fā)生可歸結(jié)為在高速擠出時(shí)流場中某個(gè)位置出現(xiàn)過度的流動(dòng)應(yīng)力集中效應(yīng)，引起流動(dòng)失穩(wěn)和彈性湍流。對(duì)于擠出過程，主要指口模入口處、口模壁（界面）處和口模出口處。,圖8-44 擠出流場內(nèi)流動(dòng)應(yīng)力集中的位置示意圖,512 擠出畸變和熔體破裂機(jī)理簡要分析,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,流動(dòng)應(yīng)力集中效

32、應(yīng)也反映在流動(dòng)壓力降的分布上。 定義入口壓力降占總壓力降的比例為：,=Pent /（Pent+Pcap）,表8-7 LDPE、LLDPE及共混物在不同流量下入口壓力與總壓力的比值（190）,青島科技大學(xué),2）口模入口區(qū)的流動(dòng)失穩(wěn)強(qiáng)拉伸造成流場紊亂,圖8-45 口模入口處的擾動(dòng)引起熔體破裂示意圖,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),3）口模壁處的流動(dòng)失穩(wěn)吸附與解吸附，纏結(jié)與解纏結(jié),（a）弱纏結(jié)，強(qiáng)吸附；Cohesive滑移 （b）強(qiáng)纏結(jié)，弱吸附；Adhesive滑移 圖8-46 口模壁附近發(fā)生熔體滑

33、動(dòng)的兩種情形,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),513 減輕畸變，提高熔體穩(wěn)定擠出速率的對(duì)策,1）調(diào)節(jié)口模溫度場 由于擠出畸變和熔體破裂是高分子液體彈性湍流行為的表現(xiàn)，因此通過升高溫度降低熔體黏彈性是改善流動(dòng)不穩(wěn)定性的首選方法。精確控溫對(duì)改善鯊魚皮畸變尤為有效。 2）改造口模形狀及界面狀態(tài) 由于流場擾動(dòng)源多位于流道尺寸急劇變化處和界面上，因此口模形狀的改變及界面狀態(tài)變化對(duì)熔體流動(dòng)穩(wěn)定性有重要影響。 3）特種填加劑（如潤滑劑、加工助劑、特種填料） 添加特殊加工助劑和特殊填料是改善熔體擠出行為常用的

34、方法。助劑和填料的種類可根據(jù)擾動(dòng)源的位置和性質(zhì)，有的放矢地選擇。,圖8-49 m-LLDPE/PPA復(fù)合料擠出外觀隨PPA含量的變化（190，表觀剪切速率720s1）,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),52 紡絲成型過程中的拉伸共振現(xiàn)象,521 拉伸共振現(xiàn)象及其機(jī)理,拉伸共振現(xiàn)象,定義： 在熔體紡絲或平膜擠出過程中，當(dāng)拉伸比超過某一臨界拉伸比值時(shí)，熔體絲條直徑（或平膜寬度）發(fā)生準(zhǔn)周期性變化的現(xiàn)象。,（a） （b）拉伸比（上）23.2；（下）83.5 圖8-50 熔體紡絲過程示意圖（a）及聚丙烯熔

35、體絲條的約化直徑隨時(shí)間的波動(dòng)（b）,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,擠出口模的形狀和尺寸；紡絲或擠膜工藝條件；熔體本身的彈性行為,青島科技大學(xué),圖8-51 聚丙烯熔體紡絲中，臨界拉伸比與 口模長徑比及熔體溫度的關(guān)系,522 影響拉伸共振的因素,影響因素,規(guī)律： 口模長徑比越大，臨界拉伸比越高， 熔體紡絲穩(wěn)定性好。 熔體溫度升高，臨界拉伸比提高， 拉伸共振現(xiàn)象減輕,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),（a）與熔體

36、溫度關(guān)系圖 （b）與口模表觀剪切速率關(guān)系圖 圖8-52 聚丙烯熔體紡絲中，冷卻方式對(duì)拉伸共振現(xiàn)象的影響,規(guī)律： 采用等溫冷卻方式的臨界拉伸比比非等溫冷卻方式的高，等溫紡絲工藝的穩(wěn)定性比低溫紡絲工藝的高，拉伸共振現(xiàn)象較輕。,School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,第六章 高分子材料典型加工成型過程的流變分析,6.1 壓延工藝（輥筒上的成型加工過程）的流變分析,工藝簡介,壓延成型是生產(chǎn)薄

37、膜和片材的主要方法。它是將高分子材料通過一系列相向旋轉(zhuǎn)著的水平輥簡間隙，使物料承受擠壓和延展作用，而使其成為規(guī)定尺寸的連續(xù)片狀制品的成型方法。,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,6.1.1 壓延設(shè)備和基本工藝特性,1-機(jī)座；2-傳動(dòng)裝置；3-輥筒 4-輥矩調(diào)節(jié)裝置；5-軸交叉調(diào)節(jié)裝置；6-機(jī)架 壓延機(jī)示意圖,輥筒的排列方式,排列的原則是避免各輥筒間的相互干擾，同時(shí)還應(yīng)操作方便，自動(dòng)供料。,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科

38、 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,影響壓延制品質(zhì)量的因素,壓延機(jī)的操作 原材料 設(shè)備特性 輔助過程,輥溫與輥速 輾筒的速比 輥距與存料量 剪切和拉伸,輥溫與輥速,熱量來源：輥筒提供和剪切生熱 產(chǎn)生摩擦熱的大小除與輥速有關(guān)外，還與物料黏度有關(guān)。因此，不同的物料，在相同的輥速條件下，其溫度控制就不同；相同配方不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，其控制溫度也不同。,例:0.1mm厚農(nóng)膜，線速度由40m/min 增大至 60m/min后出現(xiàn)包輥,壓延時(shí)，物料常粘于高溫或高速輥簡上；為了使物料能依次貼于輥筒上，避免空氣夾入，各輥簡的溫度一般是依次遞增的。各輥的溫度差為510。,青島科技大學(xué),School of Polymer Sci

39、ence & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,輾筒的速比,壓延機(jī)相鄰兩輥筒線速度之比稱為輥筒的速比。 速比的作用： 壓延物依次貼于輥筒； 更好的塑化； 一定的拉伸與取向作用，從所膜厚度減小和質(zhì)量提高。 速比的調(diào)節(jié)： 速比過大，發(fā)生包輥現(xiàn)象；或薄膜厚度不勻，內(nèi)應(yīng)力過大。 速比過小，不吸輥，以致空氣帶入。,輥距與存料量,輥距：厚度控制，按壓延機(jī)輥筒的排列次序自前而后逐漸減小。 存料：存料的多少與存料旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)宜接影響產(chǎn)品質(zhì)量。,存料過多，薄膜表面出現(xiàn)毛糙和云紋，并容易產(chǎn)生氣泡；同時(shí)增大負(fù)荷。 存料過少，引起邊料的斷裂，產(chǎn)品橫向厚度不均勻，薄膜有氣泡；壓力不足造成薄膜

40、表面毛糙。,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,剪切和拉伸,壓延時(shí)壓延物的縱向會(huì)受很大的剪切應(yīng)力和一些拉伸應(yīng)力，所以高聚物分子會(huì)順著薄膜前進(jìn)方向發(fā)生分子定向，以致薄膜在物理機(jī)械性能上出現(xiàn)各向異性。這就是在壓延成型中的定向效應(yīng)。,定向效應(yīng)的程度隨滾筒線速度、滾筒之間的速比、輥隙存料量以及物料表觀黏度等因素的增長而增長，隨輥筒溫度和輥距以及壓延時(shí)間的增加而下降。,6.1.2 壓延工藝分析,對(duì)稱的開煉機(jī)、壓延機(jī)輥筒間隙中的坐標(biāo)系,簡化假定,對(duì)稱性過程 牛頓型流體 忽略慣性力及重力,青島科技大學(xué),Scho

41、ol of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,速度分布,速度分布示意圖,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,壓力分布,定義無量綱坐標(biāo)x ：,其中,輥筒間膠料內(nèi)的壓力分布,物料脫離輥筒表面的位置，亦稱出料處,兩輥筒間最小輥距處，物料內(nèi)壓力 僅為最大壓力的一半,壓力極大點(diǎn),不同值時(shí)輥筒間壓力分布的變化,青島科技大學(xué),School of Polymer Science & Engineering 高 分 子 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院,6.2 擠出成型的流變分析,典型螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,螺桿工作部分,吃料段： 固體輸送 壓縮塑化段：物料在剪切力場與溫度場作用下開始熔融、塑化，由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)。 勻化計(jì)量段：螺槽的截面是均勻。從壓縮段來的粘流狀物料在此進(jìn)一