考研化学聚合物液体在管和槽中的流动省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章 聚合物液体在管和槽中流动加工过程中主要流动方式（按受力分）：压力流动：在简单形状管道中因受压力作用而产生流动。；收敛流动：在截面积逐步减小流道中流动。；拖曳流动：在含有部分动件流道中流动。第1页按速度方向分类：一维流动：二维流动：三维流动层流湍流稳定流动不稳定流动剪切流动拉伸流动等温流动非等温流动其它分类方式：第2页第一节 在简单几何形状管道内聚合物液体流动基本假设:液体不可压缩;流动是等温,稳态一维层流;在管壁处无滑动;流体粘度不随时间改变;流动过程中,其它性质不变。第3页一、聚合物液体在圆管中流动 含有均匀圆形截面且沿管轴方向半径保持恒定圆形管道，是加工和成型设备中最常采取通道形式。形状简单，轻易加工。在圆管中液体在压力作用下只产生一维剪切流动。第4页1.牛顿液体在简单圆管中流动第5页剪应力分布与半径成正比，并呈直线关系。r=0，r=R，最大值第6页最大值速度分布含有抛物线形，等速线为一些同心圆。第7页容积流动速率（流率，单位时间内流出聚合物）第8页2.非牛顿液体在简单圆管中流动第9页剪应力与半径成正比，分布呈直线：速度分布与n相关：牛顿流体(n=1)，抛物线形；假塑性流体(n1)，较为陡峭，n愈大愈靠近锥形。第10页*宾汉液体有显著柱塞流动特征*柱塞流动混合效果不如抛物线形流动（剪切大，扰动）第11页3.圆管中实际流动（1）有边界滑移流动 vR0，实际流速计算值 分子量分级效应：低分子量级分管壁 高分子量级分中心（2）非等温流动 摩擦生热：管壁处最大，中心部分最小 因压力降而膨胀耗耗热：液体膨胀率中心最大，液体膨胀率中心最大，中心冷却大于管壁。所以摩擦和膨胀共同结果使中心区域温度降低，管壁区域温度升高。第12页二、聚合物液体在狭缝通道中等温流动 狭缝通道是指厚度比宽度小得多通道。比如：挤出板材和薄片平直口模 外径靠近内径环形口模 压力作用下一维剪切流动 请同学们自学聚合物在狭缝通道中剪应力分布、流速分布、流率计算。第13页三、聚合物收敛流动和拖曳流动 粘性聚合物能随管道运动部分移动称为拖曳流动，所以液体总流动是拖曳流动和压力流动总和。1.拖曳流动举例说明：例1 挤出线缆包复物口模中拖曳流动 只沿z向流动，是一维流动 例2 挤出机螺杆槽中拖曳流动 矩形通道，螺杆旋转，是二维或三维流动第14页第15页第16页(1)管道中收敛流动 流线收敛角 管道突然减小大扰动和压力降办法：有一定锥度管道（圆锥形、楔形）收敛流动最大流速在管道最小截面处。2.收敛流动第17页(2)拉伸流动 拉伸流动是粘弹性聚合物熔体从任何形式管道中流出并受外力拉伸产生收敛流动，因拉应力而产生非抑制性拉伸作用。拉伸流动收敛角远小于锥形管道收敛角。第18页：拉伸粘度低应力下，不依赖，=3 不随改变高应力下，拉伸变稀 拉伸变硬大多数聚合物第19页小结：三种流动速度分布比较类型类型径向径向轴向轴向图示图示压力流动压力流动抛物线形或柱塞形抛物线形或柱塞形中心最大管壁最小中心最大管壁最小无速度梯度无速度梯度收敛流动收敛流动抛物线形或柱塞形抛物线形或柱塞形中心最大管壁最小中心最大管壁最小最小截面处最大最小截面处最大最大截面处最小最大截面处最小拉伸流动拉伸流动无速度梯度无速度梯度最小截面处最大最小截面处最大最大截面处最小最大截面处最小第20页第二节 聚合物液体流动过程弹性行为一、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相关现象称为端末效应。包含入口效应和模口膨化效应（离模膨胀效应）。第21页1.入口效应 入口效应范围：Le/D 入口效应区域产生压力降很大，原因有两个方面：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，所以要消耗更多能量。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作用也要消耗一定能量。修正流率-压力降方程：将入口端压力降看成是与某一“相当长度”管子所引发压力降相等，常以L+3D代替方程中L。第22页2.离模膨胀效应 膨胀比：Df/D 膨胀效应机理：是液体流动过程中弹性行为反应。Le段收敛流动拉伸弹性应变Y向收缩 Ls段剪切流动剪切弹性形变Y向涨大 若Ls很大，入口效应引发应变得到松弛，Ls段弹性能是主要原因。若Ls很小，入口效应引发应变得不到松弛，入口效应弹性能是主要原因。第23页3.影响端末效应原因 凡是造成流动中弹性成份增加原因都使端末效应变得严重。聚合物性质 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 界面几何形状不一样管道在不一样方向膨胀也有差异。第24页二、不稳定流动和熔体破裂现象 定义：低应力下牛顿流动中各种原因引发小扰动轻易抑制，而高应力时液体中扰动难以抑制，易发展成不稳定流动，引发熔体破裂。出现熔体破裂时应力或剪切速率称为临界应力和临界剪切速率。第25页第26页1.产生熔体破裂原因液体流动时在管壁上出现滑移和液体中弹性回复。滑移-流速增加-应力平衡破坏液体剪切历史差异，可能引发极不一致弹性回复。熔体破裂现象是聚合物液体产生弹性应变与弹性回复总结果，是一个整表达象。第27页2.影响不稳定流动原因聚合物性质 非牛顿性强聚合物，入口区域和管子中流动时剪切作用是主要原因；非牛顿性弱聚合物，流动历史差异是主要原因。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第28页3.鲨鱼皮症 特点是在挤出物表面形成很多细微皱纹，人字形、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拉伸作用。是一个较轻微表层不稳定流动。第29页第三节 聚合物液体流动性测量方法 用于测定聚合物流变性质仪器称为流变仪或粘度计。最广泛有毛细管粘度计（10-1106秒-1，与加工条件靠近），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工作原理和测量方法。第30页思索题：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分布特点。（作业题）2.比较压力流动、收敛流动和拉伸流动中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办法以降低弹性表现对制品质量不良影响？第31页计算题：1.一个聚合物熔体在3MPa压力降作用下经过直径2mm、长8mm等截面圆形管道时，测得体积流率为0.054cm3/s，若该聚合物熔体流变行为同于牛顿型流体，求管壁处最大剪切应力、剪切速率和牛顿粘度。2.一聚合物熔体以1MPa压力降经过直径2mm、长8mm等截面圆管时测得体积流率为0.05cm3/s，在温度不变情况下以5MPa压力降测试时体积流率增大到0.5cm3/s，试从以上测试结果分析该熔体在圆管中流动是牛顿型还是非牛顿型。第32页