华科大《高分子材料流变学》思考题及解答

《高分子材料流变学》思考题第一章绪论1．说出流动和变形的定义。（5）答：变形，是指施加适当的力系于物质上，而使其形状或大小发生变化。当变形的程度随时间而连续变化时，就称为流动。2．简述流变学的定义及研究聚合物流变学的意义。（5）（11）答：流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学。研究聚合物的流变性质，对聚合物的合成、成型加工、模具和机械的设计均有重要的意义。3．把流变学应用于模具设计中，可以解决哪些问题？（15）（16）1．求出模腔流道中熔体的最大剪切速率；2．计算模具流道中熔体压降分布曲线，找出压降变化规律；3．调整挤出机头，保证整个口模截面具有均匀一致的挤出速度；4．求模腔流道中熔体速度分布曲线及其在各流道区域中熔体停留时间的分布曲线；5．正确确定注塑模流道截面尺寸；6．注塑模型腔压力的正确确定。第二章聚合物的基本流变性质1．什么叫聚合物的物理状态?聚合物的物理状态可分为哪几种?它们的转变主要与什么有关?1聚合物的物理状态：在不同状态表现出的分子热运动特征；2)分为玻璃态，高弹态，粘流态；3)物理状态在一定条件下可发生转变，转变主要与温度有关。2．聚合物的流动有哪些主要特点?①粘度大，流动性差。②聚合物熔体是假塑性流体，粘度随剪切速率的增加而下降③聚合物熔体流动时伴有高弹形变，即表现为弹性行为。3．聚合物有哪些流动类型？如何分类?（26,27,28）按雷诺准数的大小分：1层流（稳流）Re＜23002湍流（紊流）Re＞2300按作用的方式分：1剪切流动：产生横向速度梯度场的流动2拉伸流动：产生纵向速度梯度场的流动按流动曲线的特点分：1牛顿型流动2非牛顿型流动4．牛顿型流动有什么特点？（29）特征是：切应力与切变速率成正比。5．试写出牛顿型流体的流动方程，并画出其流动曲线图。（29）上式称为牛顿流动规律牛顿型流体的粘度在一定温度下为常数，它与流体的性质有关，其流动曲线是一条通过原点的直线。6．非牛顿型流体有何特点?通常可将非牛顿型流体分为哪几类？（30）不遵循牛顿粘度定律的流动。可以粗略地把非牛顿型流体分为:1、纯粘性流体2、粘弹性流体3、有时间依赖性的流体7．假塑性流体有何特点？试画出其流动曲线。（35）（36）当流动很慢时，剪切粘度为常数，随着剪切速率的增大，剪切粘度反常地减少。流动曲线弯向切变速率坐标轴。粘度随切应力、剪切速率增大而降低，故称“剪切变稀”。8．影响聚合物剪切粘度的因素有哪些?它们对粘度的影响如何?实验条件和生产工艺条件（温度T、压力p、剪切速率γ或剪切应力σ等）；物料结构及成分（配方成分）；大分子结构参数（平均分子量、分子量分布、长链支化度等）。温度：聚合物的粘度随温度升高而降低。温度越接近玻璃化温度，温度的变化对粘度的影响越大。剪切速率和剪切应力对高分子液体剪切粘度的影响主要表现为“剪切变稀”效应。假塑性流体的粘度随剪切速率升高而下降。原因是：聚合物分子链在流场中的取向，使流动阻力减少。分子结构参数的影响：分子量越大，分子间力越大，粘度就大，可塑性小，流动性就差。分子量分布对流动性有影响。分布窄的，分子链发生相对位移的温度范围较窄，粘流温度Tf较高；分布宽的，分子链发生相对位移的温度范围较宽，粘流温度Tf较低，流动性和加工性能较好。压力对高分子液体流动性的主要影响是：压力增高，材料流动性下降，粘度上升。配合剂的影响：填充补强材料加入到高分子材料后，使体系粘度上升，弹性下降，硬度和模量增大，流动性变差。软化增塑材料的作用则是减弱物料内大分子链间的相互牵制，使体系粘度下降，非牛顿性减弱，流动性得以改善。9.何谓流变性?何谓粘流活化能?答：流变性：物质在外力作用下的变形和流动性质。粘流活化能：流动过程中，流动单元用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量，或每摩尔运动单元流动所需要的能量。10．对流动性影响较显著的配合剂有哪两类?它们对流动性有何影响？对流动性影响较显著的配合剂有两大类：填充补强材料，软化增塑材料。填充补强材料加入到高分子材料后，使体系粘度上升，弹性下降，硬度和模量增大，流动性变差。软化增塑材料的作用则是减弱物料内大分子链间的相互牵制，使体系粘度下降，非牛顿性减弱，流动性得以改善。11.用高分子构象改变说解释“剪切变稀”行为。答：当体系所受的剪切应力或剪切速率较大时，一方面高分子链的构象发生明显变化，这种变化主要源于大分子链沿流动方向取向；另一方面由于过程进行速度快，体系没有足够的时间充分松弛，结果长链大分子偏离平衡构象，取向的大分子间相对流动阻力减少，表现出体系宏观粘度下降，发生“剪切变稀”的假塑性现象。12．在挤出成型过程中，为什么会出现挤出胀大现象？挤出胀大现象是被挤出流体具有弹性的典型表现。在口型内部的剪切流动场中，分子链除发生真实的不可逆塑性流动外，还有非真实的可逆弹性流动，也引起构象变化。高分子材料通过口型的流动，是分子链发生相对位移的粘性流动与构象变化引起的弹性流动的综合。挤出胀大现象表征着流动后材料所储存的剩余的可恢复弹性能的大小。13.口型出口压力降指的是什么？牛顿流体与高分子液体的出口压力降有何不同？答：口型出口压力降指高分子液体流至口型出口处仍具有的内压。该压力对牛顿流体而言不存在，但对高分子液体则不等于零。第三章本构方程1．什么叫本构方程?如何判断本构方程的优劣？答：本构方程又称流变状态方程，是描述应力与应变关系的方程，也可以说是描述物质对所受力的力学响应的方程。判断一个本构方程的优劣可以考察以下几个方面：（1）方程的立论是否科学合理，论据是否充分，结论是否简单明了。（2）不仅能够描述已知事实，还应能预言至今未知，但可能发生的事实。（3）理论应有承前启后的功能。（4）实验事实是判断一个本构方程优劣的出发点和归宿。第五章流变学基础方程1．了解微分形式的连续性方程式(5－5)、全导数形式的连续性方程式(5－7)。2．试述另一种全导数形式的连续性方程式(5－8)的物理意义。质量的总变化量由两部分组成：是由时间变化而引起的质量变化，是由于场的不稳定性引起的质量变化，是局部项。是由空间位置改变而引起的质量变化，是由于场的不均匀性引起的质量变化，是迁移项。

3，“随体导数”表示什么意义？它有哪两部分组成?答：随体导数：物理量随着流体质点一起运动时所产生的变化率。随体导数由两部分组成：局部导数、对流导数4．作用在流体上的力可以分为哪几类?流体不能承受集中力，只能承受分布力。分布力按表现形式又分为：质量力、表面力,即两类作用在流体上的力：质量力(例如：重力、惯性力、磁力)和表面力(表面力分布在流体面上，是一种接触力,如压力与粘弹力)5．了解运动方程的物理意义及应用范围。运动方程实质上与牛顿力学第二定律相似。左边括号内第一部分：表示速度随时间的变化率，又称局部加速度。左边括号内第二部分（其余三项）：是由场的不均匀性引起的加速度，又称迁移加速度。惯性力项：

反映单位时间内、单位体积流体的动量增量。右边的物理意义：静压力项，反映静压力对动量的影响。粘性力项，反映流体粘性对动量的影响。重力项，反映重力的动量的影响。综上所述，运动方程的物理意义可看作：惯性力=静压力+粘性力+重力6．在流动场中的总能量是由哪几部分组成?总能量=内能（E）+动能（K）=流动能量（V方向）+热传能量（Q）+应力作功能量（σ方向）+重力作功能量（g方向）7．了解能量守恒方程的物理意义。（1）单位时间内某一点的温度变化

（2）由传热引起的温度变化，即空间位置变化所引起的温度变化。（3）这是膨胀功引起的变化。（4）机械功变为热能所引起的温度变化。综上所述，流体中某一点的温度变化，是热传导、膨胀功和机械功作用的结果。

8．聚合物流体在两平行平板之间流动，其速度和温度是如何分布的？由图5－5中的速度分布和温度分布图可知，在无限大平板间的等温拖曳流中，速度分布为线性分布，即速度分量Vx沿y方向线性变化，在上板处流速为V0，下板处流速为零而温度分布为抛物线分布，在流道中央y=H/2温度最高，接近两板处流体温度与板的温度相等，等于Tw。在流道中央温度升高的原因是由于粘性流体耗散外部能量所致。因此在流动过程中两块大板要保持预先设定的温度不变，必须加以冷却，将热量导出流体。这也提醒我们在实际加工中，设定加工设备的机筒温度，一定要考虑到机筒内物料的真是温度要比设定的温度要高许多，以免引起物料“烧焦”。9．聚合物流体在圆管流动，其剪切应力、速度和温度是如何分布的？分别指出它们的最大、最小值的位置。当幂律流体的非牛顿指数n不同时，其速度分布有何不同？最小值的位置。当幂律流体的非牛顿指数n不同时，其速度分布有何不同？管壁处物料的流速为零，温度为Tw；流速和物料温度均在管道轴心处取极大值，轴心处料温要比管壁温度高许多。n<1的假塑性流体的流前呈柱塞状，n<1的胀流性流体的流前呈前突状。对于牛顿型流体，管道内的速度分布是按二次抛物线规律变化的，而温度分布则是按四次抛物线抛物线规律变化的。从管壁到轴心线，物料温度增长的速率比速度的变化快得多。

10．试画出牛顿流体在圆管中流动时的速度分布和温度分布。？（见第六章第8题）11．流体在两块温度始终保持Tw的平行平板之间流动，流体内部各点的温度是否一样？为什么？（见第六章第9题）第六章流变测量学1．如何用落球粘度计测定零切粘度η0?落球式粘度计用于测量透明液体粘度。将待测溶液放入恒温槽，放入不锈钢小球，令其自由下落，记录下落距离S所需时间t，由此计算溶液粘度。

小球速度v的测量一般采用光电测速装置，测量小球恒速通过一定距离S所需的时间t，于是粘度等于：所以测粘度问题转化为测时间的问题。粘度正比于落球时间。2．为什么会产生入口压力损失?应如何校正？对于粘弹性流体，当物料进入毛细管时，存在着一个很大的入口压力损失△pent。这个压力损失是粘弹性流体流经截面形状变化的流道时的重要特点之一，是由于物料在入口区经历了强烈的拉伸流动和剪切流动，以至于储存和损耗了部分能量的结果。物料在毛细管内流动时，同一横截面内各点的剪切应力分布并不均匀，轴心处为零，而管壁处为最大值。熔融指数：仪通过在柱塞上预置一定重量，测量在规定温度下规定时间内流过毛细管的流量。从而比较物料相对分子量的大小，判断适用何种成型加工工艺。通常物料流量大，熔融指数高，则相对分子量小，多适于注塑成型工艺；若物料流量小，熔融指数低，说明其相对分子量大，多适于挤出成型工艺。一不可压缩流体在半径为R的圆管中的流动是稳定层流，在此无限长的管中取长度为L、两端压差为△P的液柱，试推导圆管中任意一圆柱面上和圆管管壁上的切应力关系式。答：（ppt416-17）圆柱面上的切应力：在管壁上的切应力：为什么会产生挤出胀大行为?影响产生挤出胀大比的因素有哪些？（ppt439-41）答：原因：发生挤出胀大的原因主要有两个：一是物料进入毛细管的入口区曾经历过剧烈的拉伸变形，储存了弹性能。这种弹性变形在物料流经毛细管时得到部分松弛，到出口处由于管壁约束突然消失，熔体在口模外继续松弛，表现为挤出胀大现象。二是物料在毛细管管壁附近会因分子取向产生弹性变形，这部分变形也将在熔体挤出口模后松弛。影响挤出胀大比的因素：1.长径比L/D，L/D值较小时，L/D↑，B↓；L/D值较大时，B几乎与L/D无关。2.DR/D比值，当DR/D比值较小时，DR/D↑，B↑；当DR/D比值较大时，B变化甚微。3、r与T，L/D确定时，r↑B↑，T↑B↓4.高分子链结构和物料配方，一般线形柔性链分子B较弱；分子量、分子量分布及长链支化度对B有影响。物料配方中软化增塑剂使B减小；填充补强剂导B下降。要直接求出牛顿型流体在毛细管管壁处的剪切速率，可通过什么方法？答：（只要测量体积流量Q或平均流速Vz书本179页）6．试述采用毛细管流变仪测量粘度的步骤。7．聚合物流体在圆管流动，其剪切应力、速度和温度是如何分布的？分别指出它们的最大、最小值的位置。（速度和温度书本170图5-7剪切应力书本178公式6-8）当幂律流体的非牛顿指数n不同时，其速度分布有何不同？(ppt432)速度和温度：在管壁处流速为零剪切应力：轴心处为零，而管壁处取得最大值N不同时，速度为：试画出牛顿流体在圆管中流动时的速度分布和温度分布。（书本170页图5-8）流体在两块温度始终保持Tw的平行平板之间流动，流体内部各点的温度是否一样？为什么？(书本167页)在无限大平板间的等温拖曳流中，速度分布为线性分布，而温度分布为抛物线分布，在流道中央温度最高，接近两板处流体温度与板的温度相等，等于Tw。

第七章挤出成型过程的流变分析1．试述螺杆挤出机的工作原理。2．通常挤出成型工艺过程包括哪三个阶段？1.塑化2.挤出成型3.冷却定型3．挤出成型的主要工艺参数有哪些?(1)温度(2)压力(3)挤出速率(4)牵引速度4．根据物料在挤出过程中的变化，可将螺杆工作部分划分为哪些区域？这些区域各有什么作用？（1）加料段（固体输送段）输送物料（2）压缩段（塑化段）压实、熔融、塑化、排气（3）挤出段（计量段、均化段）进一步压紧、塑化、搅拌均匀，并以一定的流量和压力从机头口形流道均匀挤出。5．物料在机头中的流动与在螺槽中的流动有何不同?物料在机头的流动速度与什么因素有关？1.正流（拖曳流）Q拖曳流，这是熔料沿螺槽向机头方向的流动，它是料筒表面作用到熔体上的力而产生的流动。其流率用Q拖曳流表示。2.压力流Q压力流，也叫逆流，其方向与正流相反，它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动。其流率用Q压力流表示。压力流为负值，其实为反流，实际的速度分布应为Vz1的直线速度分布和Vz2的抛物线速度分布的叠加。3.横流Q横流，也叫环流，这是一种与螺纹方向垂直的、在螺槽内的环形流动。这种流动对总的挤出量影响不大，故一般不计，但对熔体的传热、混合、塑化影响较大，也消耗一定能量，其流率用Q横流表示。4）漏流Q漏流，它是由机头、分流板、滤网等对熔体的反压引起的流动，是一种通过螺棱与料筒形成的间隙δ0沿螺杆轴线方向向料斗方向的流动。δ0在一般情况下很小，其流率Q漏流在数量上比Q正流小很多。Q=Q拖曳流+Q压力流+Q漏流。其中拖曳流量为正流量，主要取决于转速N；压力流与漏流为负流量，其大小取决于压差Δp和物料粘度η0。螺杆的几何参数W、h、R、θ、δ均起着重要作用。5．物料在机头中的流动与在螺槽中的流动有何不同?物料在机头的流动速度与什么因素有关？物料在机头中的流动及流速分布：在螺槽中的流动：呈螺旋状前进

进入机头流道时：由螺旋运动变为直线运动

流动速度分布：呈抛物线状6．何谓螺杆特性线、机头特性线、挤出机工作点？7．挤出成型过程的稳定性与哪些因素有关？实行稳定挤出应采取哪些措施？措施：1．均化段入口处的压力p1应尽可能保持稳定，加料口供料速度必须均匀；2．适当减少螺槽深度h和机筒与螺杆突棱的间隙δ；3．调节机头系数K，小口径机头K值较小，u值较小，易实现稳定挤出；4．物料粘度越大，u越小，因此在保证质量的前提下，适当降低挤出温度，有利于稳定挤出；5．适当增加螺杆长度L，也会使不稳定挤出系数下降。熔体破裂：当挤出速度超过某一极限值时，会产生不稳定流动，挤出物将变得不光滑、粗细不均、没有光泽、表面出现粗糙的鲨鱼皮状。如果继续增大切应力和切变速率，熔体将呈现波浪形、竹节形或周期螺旋形，甚至断裂成不规则的碎片或小圆柱块，这种现象称为熔体破裂。类型：低密度聚乙烯型（LDPE）破裂特征是先呈粗糙表面，当超过临界剪切速率发生熔体破裂，呈现无规破裂状。属于此类的材料多为带支链或大侧基的聚合物。高密度聚乙烯型（HDPE）破裂特征是先呈粗糙表面，随着剪切速率提高逐步出现有规则的畸变，剪切速率很高时才出现无规破裂。属于此类的材料多为线形分子聚合物。

8．挤出破裂是如何产生的？挤出破裂受哪些因素影响？产生：造成熔体破裂现象的机理十分复杂，它与熔体的非线性粘弹性、与分子链在剪切流场中的取向和解取向、缠结和解缠结及外部工艺条件诸因素有关。当外力作用速率很大，外界赋予液体的形变能远远超出液体可承受的极限时，多余的能量将以其他形式表现出来，其中产生新表面、消耗表面能是一种形式，即发生熔体破裂。

因素可分为三类：一是口模的形状和尺寸；二是挤出成型过程的工艺条件；三是挤出物料的性质。第八章注射成型过程的流变分析1．注塑过程包括哪些工序？注射过程由一个主循环和两个辅助工序组成。温度、压力、时间是注射成型过程的三个主要变量。主循环：合模引料阶段；充模阶段；保压阶段；倒流阶段；凝封阶段；冷却阶段；开模阶段。辅助工序：制品顶出，后处理；物料预塑，进料2．一般螺杆式往复注射机及模具的功能区段可分为哪几个区段？塑化段：注射机喷嘴以前的区段。物料在其中熔融、塑化、压缩并向前输送，流变情况与挤出成型过程相同。注射段：由喷嘴、主流道、分流道、浇口组成，物料在其中的流动同在毛细管流变仪中的流变行为相似。充模段：熔体进入模腔后，发生复杂的三维流动以及不稳定传热、相变、固化等过程，流动情况十分复杂，对该区流变行为的研究还在经验阶段。3．试述聚合物熔体充模过程的机理。熔体进入模腔与较冷空气接触，形成一个粘度很高的前沿膜。该膜后面的熔体会以比膜运动速度更高的速度追上膜。一是受到熔膜壁的阻止，不能直线前进，只能转向模壁而很快被冻结。二是冲破熔膜壁，形成新的前沿膜。在充模过程中，上述两种过程是交替出现的。

充模区段的流变分析：等温注射，Δp与lg