聚合反应工程讲课课件

聚合反应工程讲课课件第一页，共二十七页，2022年，8月28日RecommendedTextBook:

史子瑾主编《聚合反应工程基础》，化学工业出版社.

计其达主编《聚合过程及设备》，化学工业出版社.

第二页，共二十七页，2022年，8月28日第二章非牛顿流体的流动和传热

CHAPTER2FlowandHeat-TransferforNon-NewtonianFluids第三页，共二十七页，2022年，8月28日本章主要内容(ChapterOutline)非牛顿流体的概念分类，特征，流动特性流变性的测量方法非牛顿流体的流动圆管中的流动计算非牛顿流体的传热层流传热，湍流传热第四页，共二十七页，2022年，8月28日非牛顿流体的概念非牛顿流体的流动特性非牛顿流体在圆管中流动的计算高聚物剪切流动曲线本章重点及难点

(Emphasisandnodus)第五页，共二十七页，2022年，8月28日

剪切应力与剪切速率的比值，在定温下不是常数，即黏度随剪切速率、剪切应力或时间而变化，在流动曲线图上，不呈直线，或虽呈直线但不通过原点。称这类流体为非牛顿流体。

非牛顿流体在流动、混合、搅拌、传热等方面，都具有不同于牛顿流体的特征，从而对高聚物的生产和后处理过程以及成型加工等方面产生很大影响。

非牛顿流体(Non-NewtonianFluids)流动曲线第六页，共二十七页，2022年，8月28日图2-2（b）各种不同流体的流动曲线C：胀塑性流体D：宾汉塑性流体E：屈服-假塑性流体F：屈服-胀塑性流体A：牛顿流体B：假塑性流体剪切速率

非牛顿流体流动曲线比较第七页，共二十七页，2022年，8月28日

非依时性非牛顿流体假塑性流体和胀塑性流体宾汉塑性流体

依时性非牛顿流体触变性流体震凝性流体黏弹性流体

非牛顿流体分类与特征

第八页，共二十七页，2022年，8月28日

非牛顿流体的表观黏度

(apparentshearviscosity)图2-4表观黏度与剪切速率的关系A：牛顿流体B：假塑性流体(n<1)C：胀塑性流体(n>1)γ第九页，共二十七页，2022年，8月28日

高聚物流体流动曲线特征AB:第一牛顿区,零剪切黏度CD:第二牛顿区,极限剪切黏度BC:假塑性区,黏度随剪切速率的增加而降低第十页，共二十七页，2022年，8月28日1、第一牛顿区低切变速率，曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。该区的黏度通常称为零切黏度μ

。2、假塑性区(非牛顿区)

流动曲线的斜率n<1，该区的黏度为表观黏度μ

a，随着切变速率的增加，μ

a值变小。通常聚合物流体加工成型时所经受的切变速率正在这一范围内。3、第二牛顿区在高切变速率区，流动曲线的斜率n＝1，符合牛顿流动定律。该区的黏度称为无穷切剪切黏度或极限剪切黏度μ∞。从聚合物流动曲线，可求得μ

、μ∞和μa。

高聚物流体流动曲线图上的三个区域第十一页，共二十七页，2022年，8月28日

假塑性行为常常只表现在某一剪切速率范围内，在很高或很低的剪切速率下，流体均表现为牛顿行为。

高聚物流体流动曲线特征原因剪切速率小时，大分子不取向或取向甚微，呈牛顿性.剪切速率渐增，大分子随剪切速率逐步取向，显示假塑性.剪切速率很高时，大分子来不及取向，或已充分取向，流体黏度不再随剪切速率变化，流体又表现出牛顿性.第十二页，共二十七页，2022年，8月28日聚合物加工成各种制品的过程，主要包括塑料加工、橡胶加工和化学纤维纺丝，这三者的共性研究体现为聚合物流变学。聚合物的性能—高弹形变和黏弹性是聚合物特有的力学性能。这些特性均与大分子的多层次结构的大分子链的特殊运动方式以及聚合物的加工有密切的关系。聚合物的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、耐溶剂性以及电绝缘性、透光性、气密性等都是使用性能的重要指标。

研究聚合物流变学的意义第十三页，共二十七页，2022年，8月28日流体类别定义实例理

想

流体无黏性及完全不可压缩的一种假想流体实际流体牛顿流体有黏性、可压缩的流体

满足牛顿内摩擦定律水、空气、汽油、煤油、甲苯、乙醇等非牛顿流体宾汉型塑性流体牙膏、泥浆、血浆等假塑性流体橡胶、油漆、尼龙等胀塑性流体生面团、浓淀粉糊

流

体

分

类第十四页，共二十七页，2022年，8月28日1.非牛顿流体可分为那几类？各有何主要特征？2.影响高聚物剪切流动曲线的因素有哪些？3.名词解释:入口效应,孔口膨大效应(Barns),弹性回缩现象,法向应力效应,Toms效应4.为何流体的假塑性行为只表现在某一剪切速率范围内？5.指出下列体系可能属于那种非牛顿流体类型？高分子凝胶，饱和聚酯溶液，牙膏，聚丙烯熔体。

习题第十五页，共二十七页，2022年，8月28日1.平均分子量与分子量分布

高分子的浓溶液及熔融高聚物的黏度与分子量的关系，可由下式表示：

当较低时，s=1-2，

当达到一个临界值之后，s=3.4,

当低于临界值时，溶液为牛顿型。

高聚物剪切流动曲线与各种因素的关系WhenM<McWhenM>Mc第十六页，共二十七页，2022年，8月28日分子量分布相似时，黏度随分子量的增加而增加，向低值位移。图2-17(a)分子量分布相似时,不同分子量的关系,A,B,C--非牛顿流体;D--牛顿流体

平均分子量、分子量分布对黏度的影响第十七页，共二十七页，2022年，8月28日分子量分布宽的出现非牛顿流动的值比分子量分布窄的要低得多。且分子量分布越宽，偏离牛顿流动越远。

平均分子量、分子量分布对黏度的影响A-分子量分布窄B-分子量分布宽第十八页，共二十七页，2022年，8月28日

温度、压力和浓度对非牛顿流体的影响

升高温度，黏度降低，还将改变流体的类型增加压力，则黏度提高高聚物溶液多为假塑性流体，零剪切黏度与溶液浓度的关系可表示如下：A,d均为常数，将对作图，得图2-18。第十九页，共二十七页，2022年，8月28日Cc为临界浓度，低于Cc的溶液为牛顿型，高于Cc的溶液为非牛顿型。其斜率随剪切速率的增加而下降。溶液的浓度越大，假塑性程度越高。

浓度对非牛顿流体特性的影响

第二十页，共二十七页，2022年，8月28日流变学：是研究材料流动和变形的科学高聚物流变学：是流变学的一个分支，着重研究高聚物熔体的流变性，它是一门十分年轻的科学，近几十年来才得到重视。由于实际上的困难，连定性的规律也还没有取得一致的看法。我们在这里主要讨论高聚物流变性的一些基本规律，尽管不够完善，但对于指导高聚物成型加工还是有意义的。

高聚物流变学第二十一页，共二十七页，2022年，8月28日低分子液体流动所产生的形变是完全不可逆的，而高聚物在流动过程中所发生的形变中：只有一部分（黏性流动）是不可逆的。

高聚物流体的流变性和黏弹性Modelofamonomer因为高聚物的流动并不是高分子链之间的简单的相对滑移的结果，而是各个链段分段运动的总结果。在外力作用下，高分子链顺外力场有所伸展，这就是说，在高聚物进行黏性流动的同时，必然会伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形变显然是可逆的，外力消失后，高分子链又要蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日影响熔体黏度的因素有内因和外因两方面：内因：分子链的结构、分子量及其分布外因：温度、填加剂、外力作用情况

影响高聚物熔体黏度的因素化学组成相同，但分子结构和聚集态不同的聚合物，在熔体黏度上可以有很大差别。第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日不同用途对分子量有不同的要求合成橡胶一般控制在20万；合成纤维一般控制在1.5万～10万；塑料居橡胶和与纤维之间，不同加工方法对分子量有不同要求挤出成型要求分子量较高；注射成型要求分子量较低；吹塑成型在挤出和注射两者之间。

高聚物流体的流变性与加工成型例如纤维：尼龙6：1.5万～2.3万尼龙66：2.2万～2.7万聚酯：2万聚丙烯腈：2.5万～8万聚丙烯：12万第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日Williams，Landel，Ferry根据大量的实验数据，提出著名的WLF方程，表明了黏度和温度的半定量关系：这是一个成功的式子，很好地描述了高聚物在～+100℃范围内黏度与温度的关系。对于大多数非晶高聚物，可由上式计算该温度范围内的黏度。

高聚物的WLF方程——

μ与T的关系第二十五页，共二十七页，2022年，8月28日柔性链的黏度随剪切速率增加明显下降。原因：链柔顺，易取向。如聚氯醚。刚性链则不敏感。原因：链刚性，分子间力大，不易受剪切力而取向。

温度对不同结构聚合物熔体黏度的影响

12341——POM聚甲醛（Poly