聚合物流体的流变性概述.pptx
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1、2.1聚合物流体流变性质聚合物流体流变性质6/26/2024聚合物流体的流变性概述第1页1.层流和湍流层流和湍流聚合物熔体,在成型过程中流动时,其雷诺准聚合物熔体,在成型过程中流动时,其雷诺准数普通小于数普通小于10,分散体也不会大于,分散体也不会大于2100,所以其,所以其流动均为层流。流动均为层流。Re2100湍流湍流Re=21004000过渡态过渡态(介于层流与湍流介于层流与湍流)低分子流体低分子流体第一节第一节 聚合物流体流动类型聚合物流体流动类型6/26/2024聚合物流体的流变性概述第2页原因:原因:粘粘度度高高,如如低低密密度度聚聚乙乙烯烯熔熔体体粘粘度度约约0.31021103
2、Pa.s,而而且且流流速速较较低低,在在加加工工过过程程中中剪剪切切速速率率普普通小于通小于103s1。不过在特殊场所,如经小浇口熔体注射进不过在特殊场所,如经小浇口熔体注射进大型腔,因为剪切应力过大等原因,会出现弹大型腔,因为剪切应力过大等原因,会出现弹性湍流,熔体会发生破碎,破坏成型。性湍流,熔体会发生破碎,破坏成型。注意注意注意注意6/26/2024聚合物流体的流变性概述第3页 凡凡流流体体在在输输送送通通道道中中流流动动时时,该该流流体体在在任任何何部部位位流流动动情情况况保保持持恒恒定定,不不随随时时间间而而改改变变,即即一一切切影影响响流流体体流流动动原原因因都都不不随随时时间间而
3、而改改变变,此此种种流流动动称称为稳定流动。为稳定流动。所所谓谓稳稳定定流流动动,并并非非是是流流体体在在各各部部位位速速度度以以及及物物理理状状态态都都相相同同。而而是是指指在在任任何何一一定定部部位位,它它们们均均不随时间而改变。不随时间而改变。2.稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动正常操作挤出机中,塑料熔体沿螺杆螺槽正常操作挤出机中,塑料熔体沿螺杆螺槽向前流动属稳定流动,因其流速、流量、压力向前流动属稳定流动,因其流速、流量、压力和温度分布等参数均不随时间而变动。和温度分布等参数均不随时间而变动。比如比如比如比如6/26/2024聚合物流体的流变性概述第4页 等等温温流流动动是是指
4、指流流体体各各处处温温度度保保持持不不变变情情况况下下流流动。动。在在等等温温流流动动情情况况下下,流流体体与与外外界界能能够够进进行行热热量量传递,但传入和输出热量应保持相等。传递,但传入和输出热量应保持相等。经经常常将将熔熔体体充充模模流流动动阶阶段段看看成成等等温温流流动动过过程程来来处处理理,因因为为不不会会有有过过大大偏偏差差,却却能能够够使使充充模模过过程程流流变分析大为简化。变分析大为简化。3.等温流动和非等温流动等温流动和非等温流动6/26/2024聚合物流体的流变性概述第5页在聚合物加工实际条件下,聚合物流体流动在聚合物加工实际条件下,聚合物流体流动普通均展现普通均展现非等温
5、状态非等温状态。首先首先是因为成型工艺要求将流道各区域控制是因为成型工艺要求将流道各区域控制在不一样温度下;在不一样温度下;另首先另首先,是因为粘性流动过程中有生热和热,是因为粘性流动过程中有生热和热效应。效应。这些都使其在流道径向和轴向存在一定温这些都使其在流道径向和轴向存在一定温度差。比如塑料注射成型,熔体在进入低温模度差。比如塑料注射成型,熔体在进入低温模具后就开始冷却降温。具后就开始冷却降温。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第6页 当当流流体体在在流流道道内内流流动动时时、因因为为外外力力作作用用方方式式和和流流道道几几何何形形状状不不一一样样,流流体体内内质质点点速速度度分分
6、布布含含有有不不一样特征:一样特征:一一维维流流动动:流流体体内内质质点点速速度度只只在在一一个个方方向向上上改改变变,即即在在流流道道截截面面上上任任何何一一点点速速度度只只需需用用一一个个垂垂直直于流动方向坐标表示。于流动方向坐标表示。4.一维流动、二维流动和三维流动一维流动、二维流动和三维流动比如比如比如比如聚合物熔体在等截面圆管内作层状流动时,聚合物熔体在等截面圆管内作层状流动时,其速度分布仅是圆管半径函数,是一个经典一其速度分布仅是圆管半径函数,是一个经典一维流动。维流动。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第7页 二二维维流流动动:流流道道截截面面上上各各点点速速度度需需要要两
7、两个个垂垂直直于于流流动动方方向向坐坐标标表表示示。比比如如流流体体在在矩矩形形和和椭椭圆圆型型截截面面通通道道中中流流动动时时,其其流流速速在在通通道道高高度度和和宽宽度度两两个个方方向向均均发发生改变,是经典二维流动。生改变,是经典二维流动。三三维维流流动动:流流体体在在截截面面改改变变通通道道中中流流动动,如如锥锥形形通通道道或或收收缩缩型型管管道道,其其质质点点速速度度不不但但沿沿通通道道截截面面纵纵横横两两个个方方向向改改变变,而而且且也也沿沿主主流流动动方方向向改改变变。即即流流体体流流速要用三个相互垂直坐标表示,因而称为三维流动。速要用三个相互垂直坐标表示,因而称为三维流动。二维
8、流动和三维流动规律在数学处理上,二维流动和三维流动规律在数学处理上,比较一维流动要复杂很多。比较一维流动要复杂很多。有二维流动,如平行板狭缝通道和间隙很有二维流动,如平行板狭缝通道和间隙很小圆环通道中流动,按一维流动作近似处理小圆环通道中流动,按一维流动作近似处理时不会有很大误差。时不会有很大误差。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第8页拉拉伸伸流流动动:质质点点速速度度沿沿着着流流动动方方向向发发生改变;生改变;剪剪切切流流动动:质质点点速速度度仅仅沿沿着着与与流流动动方方向向垂垂直直方方向向发发生生改改变。变。5.拉伸流动和剪切流动拉伸流动和剪切流动 按照流体内质点速度分布与流动方向
9、关系,可按照流体内质点速度分布与流动方向关系,可将聚合物加工时流体流动分为两类:将聚合物加工时流体流动分为两类:6/26/2024聚合物流体的流变性概述第9页 由由边边界界运运动动而而产产生生流流动动,如如运运转转滚滚筒筒表表面面对对流流体剪切摩擦而产生流动,即为体剪切摩擦而产生流动,即为拖曳流动拖曳流动。而而边边界界固固定定,由由外外压压力力作作用用于于流流体体而而产产生生流流动动,称为称为压力流动压力流动。剪切流动按其流动边界条件可分为剪切流动按其流动边界条件可分为拖曳流动和压力流动拖曳流动和压力流动聚聚合合物物熔熔体体注注射射成成型型时时,在在流流道道内内流流动动属属于于压力梯度引发剪切
10、流动。压力梯度引发剪切流动。聚聚合合物物在在挤挤出出机机螺螺槽槽中中流流动动为为另另一一个个剪剪切切流流动,即拖曳流动。动,即拖曳流动。比如比如比如比如6/26/2024聚合物流体的流变性概述第10页 聚合物流体在加工过程中受力类型有三种:聚合物流体在加工过程中受力类型有三种:剪切应力、拉伸应力和静压力剪切应力、拉伸应力和静压力。在在高高分分子子材材料料成成型型过过程程中中,聚聚合合物物材材料料随随受受力力性性质质与与作作用用位位置置不不一一样样而而产产生生不不一一样样类类型型应应力力、应应变变和应变速率。和应变速率。第二节第二节 聚合物流体非牛顿剪切粘性聚合物流体非牛顿剪切粘性 对成型影响最
11、大是对成型影响最大是剪切应力剪切应力,因为成型时液态因为成型时液态聚合物在设备或模具中流动压力降、所需功率以聚合物在设备或模具中流动压力降、所需功率以及制品质量等都要受到它制约。及制品质量等都要受到它制约。其次是拉伸应力其次是拉伸应力,经常与剪切应力同时出现,经常与剪切应力同时出现,如用吹塑法或拉幅法生产薄膜,熔体在变截面导管如用吹塑法或拉幅法生产薄膜,熔体在变截面导管中流动以及单丝生产等。中流动以及单丝生产等。成型时成型时液体静压力液体静压力影响相对较小,可忽略不计,影响相对较小,可忽略不计,但对粘度有影响。但对粘度有影响。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第11页比如:比如:聚聚合合
12、物物在在简简单单管管和和槽槽中中流流动动,因因为为压压力力作作用用引引发发流流动动,属属于于简简单单一一维维压压力力流流动动,在在流流动动中中只只受受到剪切力作用。到剪切力作用。聚聚合合物物加加工工时时受受到到剪剪切切力力作作用用产产生生流流动动称称为为剪切流动剪切流动。为研究方便,可将层流流体视为一层层彼此相为研究方便,可将层流流体视为一层层彼此相邻液体在剪切应力邻液体在剪切应力作用下相对滑移。作用下相对滑移。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第12页6/26/2024聚合物流体的流变性概述第13页在一定温度下,施加于相距在一定温度下,施加于相距dr液层上剪切应力液层上剪切应力(单位为
13、(单位为N/m2),与层流间剪切速率与层流间剪切速率d/dr(又称速度(又称速度梯度,单位为梯度,单位为s-1)成正比,其表示式:)成正比,其表示式:式中式中-百分比常数,称为粘度,百分比常数,称为粘度,Pas层流能够用牛顿流体流动定律来描述:层流能够用牛顿流体流动定律来描述:6/26/2024聚合物流体的流变性概述第14页加工过程中聚合物流变行为可用粘度加工过程中聚合物流变行为可用粘度表征表征粘度:液层单位表面上所加剪切力与液层间粘度:液层单位表面上所加剪切力与液层间速度梯度(剪切速率)比值,速度梯度(剪切速率)比值,粘度是液体本身所固有性质粘度是液体本身所固有性质,它大小表征液体,它大小表
14、征液体抵抗外力引发流动变形能力。抵抗外力引发流动变形能力。6/26/2024聚合物流体的流变性概述第15页 对于小分子流体该粘度为常数,称为牛对于小分子流体该粘度为常数,称为牛顿粘度。顿粘度。而对于聚合物流体,因为大分子长链结而对于聚合物流体,因为大分子长链结构和缠结,剪切力和剪切速率不成百分比,构和缠结,剪切力和剪切速率不成百分比,流体剪切粘度不是常数,依赖于剪切作用。流体剪切粘度不是常数,依赖于剪切作用。含有这种行为流体称为非牛顿流体,非含有这种行为流体称为非牛顿流体,非牛顿流体粘度定义为非牛顿粘度或表观粘度。牛顿流体粘度定义为非牛顿粘度或表观粘度。6/26/2024聚合物流体的流变性概述
15、第16页依据应变时有没有弹性和依据应变时有没有弹性和应变对时间有没有依赖关系,非牛顿液体分为:应变对时间有没有依赖关系,非牛顿液体分为:非非牛牛顿顿液液体体粘弹性液体粘弹性液体有时间依赖性液体有时间依赖性液体(宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体)(宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体)震凝性液体(震凝性液体(tt)触变性液体(触变性液体(tt)粘性液体粘性液体非牛顿液体类型非牛顿液体类型6/26/2024聚合物流体的流变性概述第17页描述非牛顿流体流动关系式采取幂律定律描述非牛顿流体流动关系式采取幂律定律式中式中n为非牛顿指数,为非牛顿指数,当当n=1时流体含有牛顿行为;时流体含有牛顿行为;当当n=
16、1,当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定,当剪切应力低于屈服应力时流体静止并有一定刚度,但当剪切应力超出时流体就流动,这种流体称为刚度,但当剪切应力超出时流体就流动,这种流体称为宾汉塑性流体宾汉塑性流体;当当n1时,表观粘度随剪切速率增大而减小,这种流体时,表观粘度随剪切速率增大而减小,这种流体称为假塑性流体或切力变稀流体,大部分聚合物流体都称为假塑性流体或切力变稀流体,大部分聚合物流体都属于这种;属于这种;当当n1,表观粘度随剪切速率增大而增大,这种流体称,表观粘度随剪切速率增大而增大,这种流体称为膨胀性流体或切力增稠流体。为膨胀性流体或切力增稠流体。K:粘度系数粘度系数N:非牛顿指数非
17、牛顿指数6/26/2024聚合物流体的流变性概述第18页流体流动曲线类型流体流动曲线类型6/26/2024聚合物流体的流变性概述第19页流动类型流动类型流动规律流动规律符合流体备注备注牛顿流体牛顿流体(为常数)PC和PVDC靠近低分子多为这类宾汉流体宾汉流体(y和为常数)牙膏、油漆、凝胶糊、良溶剂浓溶液在剪切力增大到在剪切力增大到一定值后才能流一定值后才能流动动假塑性流体假塑性流体n1高固体含量糊剪切增加,粘度剪切增加,粘度升高升高6/26/2024聚合物流体的流变性概述第20页切力变稀流体流动曲线切力变稀流体流动曲线观察曲线观察曲线经过曲线看到:粘度对剪切速率依赖关系经过曲线看到:粘度对剪切
18、速率依赖关系6/26/2024聚合物流体的流变性概述第21页 假塑性流体粘度随剪切应力或剪切速率增加假塑性流体粘度随剪切应力或剪切速率增加而下降原因与流体分子结构相关。而下降原因与流体分子结构相关。造成粘度下降原因在于其中大分子彼此造成粘度下降原因在于其中大分子彼此之间缠结。之间缠结。当缠结大分子承受应力时,其缠结点就当缠结大分子承受应力时,其缠结点就会被解开,同时还沿着流动方向规则排列,会被解开,同时还沿着流动方向规则排列,所以就降低了粘度。所以就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列程度缠结点被解开和大分子规则排列程度是随应力增加而加大。是随应力增加而加大。对对聚聚合合物物熔熔体体来来说
19、说切力变稀原因(假塑性流体)切力变稀原因(假塑性流体)6/26/2024聚合物流体的流变性概述第22页 当它承受应力时,原来由溶剂化作用而当它承受应力时,原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内小分子就被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内小分子就会被挤出,这么,粒子或盘绕大分子有效直会被挤出,这么,粒子或盘绕大分子有效直径即随应力增加而对应地缩小,从而使流体径即随应力增加而对应地缩小,从而使流体粘度下降。粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子平均大小因为粘度大小与粒子或大分子平均大小成正比,但不一定是线性关系。成正比,但不一定是线性关系。对对聚聚合合物物溶溶液液来来说说6/26/2024聚合物
20、流体的流变性概述第23页当悬浮液处于静态时,体系中由固当悬浮液处于静态时,体系中由固体粒子组成空隙最小,其中流体只能勉体粒子组成空隙最小,其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系剪强充满这些空间。当施加于这一体系剪切应力不大时,也就是剪切速率较小时,切应力不大时,也就是剪切速率较小时,流体就能够在移动固体粒子间充当润滑流体就能够在移动固体粒子间充当润滑剂,所以,表观粘度不高。剂,所以,表观粘度不高。但当剪切速率逐步增高时,固体粒子但当剪切速率逐步增高时,固体粒子紧密堆砌就被破坏,整个体系就显得有紧密堆砌就被破坏,整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满全部空隙,些膨胀。此时流体不再能充
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