高聚物熔体的弹性效应

高聚物熔体的弹性效应

高聚物熔体的弹性效应

高聚物熔体在流动过程中，不仅产生不可逆的塑性形变，同时伴有可逆的高弹形变，这是高聚物熔体区别于小分子流体的重要特点之一。

韦森堡（Weissenberg）效应（爬杆效应）图1-16高分子液体的“爬杆”效应图1-17圆盘挤出机示意图

与牛顿型流体不同，当高聚物熔体或浓溶液在容器（图1-16）中进行搅拌时，因受到旋转剪切的作用，流体会沿内筒壁或轴上升，发生包轴或爬杆现象。这种现象称Weissenberg效应，又称“包轴”现象。出现这一现象的原因被归结为高分子液体是一种具有弹性的液体。可以想象在旋转流动时，具有弹性的大分子链会沿着圆周方向取向和出现拉伸变形，从而产生一种朝向轴心的压力，迫使液体沿棒爬升。分析得知，在所有流线弯曲的剪切流场中高分子流体元除受到剪切应力外（表现为粘性），还存在法向应力差效应（表现为弹性）。测量容器中A、B两点的压力，可以测得，对牛顿型流体有PA＞PB，对高分子液体有PA＜PB。

利用包轴现象可以设计一种圆盘挤出机（图1-17）熔融的物料从加料口加入，在旋转流动中沿轴爬升，而后从轴心处的排料口排出。这种机器结构简单，制造方便，性能稳定，用作橡胶加工的螺杆挤出机的喂料装置，可提高混合效果和改善挤出稳定性。

（2）挤出胀大现象

图1-18挤出胀大效应示意图

当高聚物熔体从喷丝板小孔、毛细管或狭缝中挤出时，挤出物的直径或厚度会明显地大于模口尺寸，有时会胀大两倍以上，这种现象称作挤出物胀大现象,又叫出口胀大效应或Barus效应，如图1-18。产生的原因是入口时挤压形变（大分子卷曲），形变能转化为弹性能，贮存起来，出口时释放出来（大分子伸展），使细流横截面增大。高聚物熔体离开管口后可产生出口膨胀效应。模孔入口处流线收敛，在流动方向产生速度梯度，因而高分子熔体在拉力下产生拉伸弹性形变，当口模较短时，这部分形变来不及完全松弛掉，出口模时要回复，熔体在口模中流动时有法向应力差，由此产生的弹性形变在出口模后也要回复。牛顿型流体不具有这种效应或只有很弱的口型变化效应，而高分子液体的口型膨胀效应相当显著。其产生的原因也被归结为高分子熔体具有弹性记忆能力所致。

增加管子或口模的平直部分的长度（即增加长径比L/D），适当降低成型时的压力和提高成型温度，并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减少或消除可逆的弹性变形带来的不利影响。实验表明，当挤出温度升高，或挤出速度下降，或体系中加入填料而导致高分子熔体弹性形变减小时，挤出胀大现象明显减轻。挤出胀大现象影响到挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口模和机头设计至关重要。（3）不稳定流动——熔体破裂现象

图1-19不稳定流动的挤出物外观示意图

在塑料的挤出或注射成型过程中常看到这样一种现象，在较低的剪切速率范围内，挤出物的表面光滑，形状均匀；但当高分子熔体从口模挤出时，挤出速度（或应力）过高，超过某一临界剪切速率（或临界剪切应力），就容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物的外观将依次出现表面粗糙、不光滑、粗细不均，周期性起伏，直至熔体破裂成碎块这些现象统称为不稳定流动，其中最严重的为熔体破裂。不稳定流动的挤出物外观示意见图1-19。这些现象说明在剪切速率较低的牛顿流动条件下各种因素引起的小的扰动容易受到抑制，而在高剪切速率时，熔体中的扰动难以抑制并发展成为不稳定流动，引起熔体破裂。出现熔体破裂时的剪切应力或剪切速率称为临界