聚合物液体在管和槽中的流动

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, 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,加工过程中主要的流动方式（按受力分）： 压力流动：在简单的形状管道中因受压力作用而产生的流动。； 收敛流动：在截面积逐渐减小的流道中的流动。； 拖曳流动：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。,按速度方向分类：一维流动： 二维流动： 三维流动,其它分类方式,第一节 在简单几何形状管道内聚合物液体的流动,基

2、本假设: 液体不可压缩; 流动是等温的,稳态的一维层流; 在管壁处无滑动; 流体粘度不随时间变化; 流动过程中,其他性质不变,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保持恒定的圆形管道，是加工和成型设备中最常采用的通道形式。 形状简单，容易加工。 在圆管中液体在压力作用下只产生一维剪切流动,1.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,剪应力的分布与半径成正比，并呈直线关系,最大值,速度分布具有抛物线形，等速线为一些同心圆,容积流动速率（流率，单位时间内流出的聚合物,2.非牛

3、顿液体在简单圆管中的流动,剪应力与半径成正比，分布呈直线： 速度分布与n有关： 牛顿流体(n=1)，抛物线形； 假塑性流体(n1)，较为陡峭，n愈大愈接近锥形,宾汉液体有明显的柱塞流动特征,将其流速分布分为两部分： 中心：rr*， y，剪切流动； r=r*， = y，过度区,柱塞流动的混合效果不如抛物线形流动,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,3.圆管中的实际流动,1）有边界滑移的流动 管壁处流速不为零 vr0 原因 实际流

4、速计算值 分子量的分级效应：低分子量级分管壁 高分子量级分中心,2）非等温流动,工艺上人为使其不等温 剪切产生摩擦升温 摩擦生热管壁处最大，中心部分最小 流动过程中有压力降而冷却 因压力降而膨胀吸热中心的冷却大于管壁 壁面的热传导 所以摩擦和膨胀的共同结果使中心区域温度降低，管壁区域温度升高,二、聚合物液体在狭缝通道中的等温流动,狭缝通道是指厚度比宽度小得多的通道。 例如：挤出板材和薄片的平直口模 外径接近内径的环形口模 压力作用下的一维剪切流动,非牛顿流体在狭缝间进行稳态流动时，其流动行为与圆管中的流动行为相似,长边：与w平行，一维流动 边缘：x,y均变化，二维流动,请同学们自学聚合物在狭缝

5、通道中的剪应力分布、流速分布、流率计算,三、聚合物的收敛流动和拖曳流动,粘性的聚合物能随管道的运动部分移动称为拖曳流动，因此液体的总流动是拖曳流动和压力流动的总和,1.拖曳流动,举例说明： 例1 挤出线缆包复物口模中的拖曳流动 只沿z向流动，是一维流动 例2 挤出机螺杆槽中的拖曳流动 矩形通道，螺杆旋转，是二维或三维流动,1）挤出线缆包复物口模的拖曳流动,挤出线缆包复物时，口模静止，线缆芯以一定速度vz连续沿z方向移动。 在 x 2 + y2 = r02 时，口模壁面的流速vr0 = 0,在 x 2 + y2 = ri2 时，线缆芯外壁的流动速度vri = vz 由于不存在x和y方向的流动，所

6、以挤出线缆包复物时是一维流动,2) 液体在挤出机螺杆槽中的的拖曳流动,流动复杂，流体的流道为高h宽w的螺旋通道。 螺杆转动时，三个螺槽壁相对静止。可看成料筒反方向旋转，螺杆静止,料壁沿z方向运动,液体的流速在x=0，x=w和y=0（螺杆槽的三个壁面）为零。 在y=h处（料筒壁面）与料筒沿z轴方向移动的速度vz相同。在这种由螺杆转动引起的拖曳流动中，沿y轴的速度分布如图所示。拖曳流动的最大速度在料筒壁上。 但挤出机中压力沿z轴向机头方向是逐渐增加的，因此机头处反压最大，这种压力将使液体产生逆流，速度分布为抛物线形。 液体的流动是这两种流动的迭加,q=q压/q拖,在x方向的流动特征,在x方向上可以

7、形成封闭的环形流动，这种环流是螺杆旋转时螺纹斜棱液体的推挤作用和料筒表面对液体的拖曳作用共同引起的。 环流速度分布仅与螺杆的转速和螺纹的螺旋角有关，在螺杆根径处(y0)流速为负值，而在料筒表面(yh)为正值，在螺槽深度为y2h3处流速为零。 环形流动不影响流率的变化，但对聚合物的混合、塑化和热交换有促进作用,从以上讨论中可以看出，螺槽中液体同时在z轴和x轴方向进行着流动，并存在着两个速度vz和vx，液体正是在拖曳流动、压力流动和环形流动的共同作用下流向机头。 液体的总流速则是vz与vx的迭加。液体在螺槽个的流动已经不是一维流动，而属于二维和三维流动了,1) 管道中的收敛流动 流线收敛角 管道突

8、然减小大的扰动和压力降措施：有一定锥度的管道（圆锥形、楔形） 收敛流动的最大流速在管道的最小截面处,2.收敛流动,2) 拉伸流动,拉伸流动是粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸产生的收敛流动，因拉应力而产生非抑制性拉伸作用。 拉伸流动的收敛角远小于锥形管道的收敛角,拉伸粘度,小结：三种流动的速度分布比较,第二节 聚合物液体流动过程的弹性行为,大多数聚合物在流动中除表现出粘性行为外，还不同程度地表现出弹性行为。 聚合物流动过程最常见的弹性行为是端末效应和不稳定流动,一、端末效应 定义：管子进口端与出口端与聚合物液体弹性行为有关的现象称为端末效应。 包括入口效应和离模膨胀效应,1.入

9、口效应,流体由大管进入小管内时，流动不再稳定，流体中各点速度在大小和方向上都随时发生变化，速度分布成一条直线，流体进入导管后必须经过一定距离，稳定流动才能形成，这种效应叫入口效应。 入口效应区域长度le 用le或le/d表示产生入口效应区域的范围,入口效应区域产生的压力降很大 原因:剪切速率的增大和流速增大造成 以收敛流动方式进入小管时，为保持恒定流率，只能增大流速，所以要消耗更多的能量。 拉伸形变引起 收敛流动中大分子沿流动方向伸展取向，这种高弹形变需克服分子内和分子间的作用也要消耗一定的能量,修正流率-压力降方程：将入口端的压力降看成是与某一“相当长度”管子所引起的压力降相等，常以l+3d

10、代替方程中的l,在出口端，假塑性流体先收缩后有出现膨胀，而且膨胀至比导管直径还大，这种现象叫离模膨胀效应。 液体流出管口时，液流的直径并不等于管子出口端直径，出现两种情况： 对低粘度牛顿流体通常液流缩小变细； 对粘弹性聚合物熔体，液流直径增大膨胀。后一种现象称为挤出物胀大。 膨胀比df/d（膨胀的最大直径与管子出口端直径之比,2.离模膨胀效应,离模膨胀效应的机理： 是液体流动过程中弹性行为的反映,le段收敛流动拉伸弹性应变轴向收缩 ls段剪切流动剪切弹性形变径向涨大 若ls很大，入口效应引起的应变得到松弛，ls段的弹性能是主要原因。 若ls很小，入口效应引起的应变得不到松弛，入口效应的弹性能是

11、主要原因,3.影响端末效应的因素,凡是导致流动中弹性成分增加的因素都使端末效应变得严重,聚合物的性质 分子量，分布窄，弹性模量 膨胀,应力或应变速率 （临界值）膨胀,温度 临界剪切速率下，t 膨胀,管道几何形状 d，l/d， 膨胀 界面几何形状不同的管道在不同方向的膨胀也有差异,减小端末效应的措施 提高加工温度 适当减小剪切应力 增大l/d 对挤出物加以适当牵引,二、不稳定流动和熔体破裂现象,定义：低应力下的牛顿流动中各种因素引起的小扰动容易抑制，而高应力时液体中的扰动难以抑制，易发展成不稳定的流动，引起熔体破裂。 出现熔体破裂时的应力或剪切速率称为临界应力和临界剪切速率,pmma于170、不

12、同应力下发生不稳定流动时挤出物试样,1.产生熔体破裂的原因,液体流动时在管壁上出现滑移和液体中的弹性回复。 滑移-流速增加-应力平衡破坏,液体剪切历史的差异，可能引起极不一致的弹性回复。 熔体破裂现象是聚合物液体产生弹性应变与弹性回复的总结果，是一种整体现象,2.影响不稳定流动的因素,聚合物性质 非牛顿性强的聚合物，入口区域和管子中的流动时的剪切作用是主要原因； 非牛顿性弱的聚合物，流动历史的差异是主要原因,临界剪应力和临界剪切速率 分子量，分布窄，c 非牛顿性愈强，弹性行为愈突出c t c,管道几何形状 ，l/d，流道表面流线型化c,3.鲨鱼皮症,特点是在挤出物的表面形成很多细微的皱纹，人字

13、形、鱼鳞状或鲨鱼皮状。 原因是熔体在管壁上滑移和熔体挤出管口时口模对挤出物产生的拉伸作用。 是一种较轻微的表层的不稳定流动,第三节 聚合物液体流动性测量方法,用于测定聚合物流变性质的仪器称为流变仪或粘度计。最广泛的有毛细管粘度计（10-1106秒-1，与加工条件接近），旋转粘度计，落球粘度计和锥板粘度计,请同学们自学各种粘度计的工作原理和测量方法,思考题,1.聚合物液体在圆管中流动时，试分析剪切应力、剪切应变速率和流速的分布特点。（作业题） 2.比较压力流动、收敛流动和拉伸流动中的受力情况和速度分布。（作业题） 3.聚合物熔体在流动过程中有哪些弹性表现？在成型过程中可采取哪些措施以减少弹性表现对制品质量的不良影响,计算题,1.一种聚合物熔体在3mpa压力降作