第五章非粘性流动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 非粘性流动,5.1,聚合物熔体流动特性,非牛顿型流动的流体称为非牛顿流体，它的粘度在一定温度范围内不再是一个常数，而且随剪切应力、剪切速率的变化而变化，甚至有些还随时间变化而变化。因此可将非牛顿流体分为,纯粘性流动、粘弹性液体和有时间依赖的液体,。,1.,粘度的剪切速率依赖性,聚合物熔体的粘度对剪切速率有强的依赖性,主要有以下几类,:,根据,r,函数关系的不同，粘性流体可分为宾汉流体，假塑性和胀塑性流体三种。,宾汉流体,与牛顿型流体的流动曲线均为直线，但它不通过原点，只有当剪切应力超过一定屈服应力值之后才开始塑性流动。,普通,Bingham,流体,例子：牙膏、油漆是典型的宾汉流体，牙膏的特点是不挤不流，只有外力大到足以克服应力时，才开始流出。油漆在涂刷过程中，要求涂刷时粘度要小，停止涂刷时要“站得住”，不出现流挂，因此要求屈服应力足够大，大到足以克服重力对流动的影响。,假塑性流体,其流动曲线通过原点，即在很小的剪切应力下就开始流动，随剪切速率增加，流动曲线弯向切变速率坐标轴，剪切应力增加的速率降低，粘度随切应力、切变速率增大而降低，称为“切力变稀”的流体。橡胶、大多数热塑性塑料、聚合物溶液都属于此类。,图 假塑性流体的流动曲线和粘度与切变速率关系,典型高分子液体的流动曲线如上图，当流动很慢时，剪切粘度保持为常数，随剪切速率的增大，剪切粘度反而减少。图中曲线大致可分为三个区域，,OA,段，剪切速率,0,，,呈线性关系，流动性质与牛顿型流体相仿，粘度趋于常数，称零剪切粘度,0,.,这一区域称第一牛顿区。,AB,段，当剪切速率超过某一临界值,后，材料流动性质出现非牛顿性，剪切粘度（实际上是表现剪切粘度,即,与,曲线上一点与原点连线的斜率，后面将详细介绍）随剪切速率,增大而逐渐下降，出现“剪切变稀”行为，这一区域是高分子材料加工的典型流动区。,BC,段，剪切速率非常高时，,时，剪切粘度又趋于另一个定值,称无穷剪切粘度，这一区域称第二牛顿区，通常实验达不到该区域，因为在此之前，流动已变得极不稳定，甚至被破坏。,绝大多数高聚物熔体的,0,，,a,有如下大小顺序,0,a,从缠结理论来解释上述流动曲线。在足够小的,下，大分子处于高于缠结的网状结构，流动阻力很大，此时，由于,很小，虽然缠结结构能被部分破坏，但破坏的速率等于形成的速率，所以粘度保持恒定的最高值，表现为牛顿流体的流动行力；当剪切速率增高时，大分子在剪切作用下发生构象变化，开始解缠结并沿着流动方向取向。随着,r,的增大，缠结结构被破坏的速度越来越大于其形成的速度，故粘度不为常数，而是随,的增加而减小，表现出假塑性流体的流动行为；当,再增大，达到强剪切状态时，大分子的缠结结构几乎完全被破坏，,很高，来不及形成新的缠结，取向程度也达到极限状态，大分子的相对运动变得很容易，体系粘度达到恒定最低值,第二次表现为牛顿流体的流动行为，因为,只和分子本身的结构有关，与拟网状结构不再相关。,此外，从上图可见，牛顿流体的粘度不随,而变化，但假塑性体粘度随,而变化。正由于假塑性体的粘度随,和,而变化，为了方便起见，对非牛顿流体可用“表观粘度”描述其流动时的粘稠性，表观粘度,a,定义流动曲线上某一点,与,的比值，即,之所以加上“表观”二字，是因为高聚物在流动中包含有不可逆的粘性流动和可逆的高弹形变，使总形变增大，但粘度应该是只对不可逆形变部分而言的，所以表观粘度比真实粘度小。表观粘度并不完全反映流体不可逆形变的难易程度，只能对流动性好坏作一个大致相对的比较，表观粘度大，流动性小。,胀塑性流体,主要特征是剪切速率很低时，流动行为基本上同牛顿型流体，剪切速率超过某一临界后，剪切粘度随 增大而增大，呈“剪切变稠”。在流动曲线，流动曲线弯向切应力坐标轴。具有一定浓度的，颗粒形状不规则的悬浮体系，如高聚物,填料、聚氯乙烯糊属于胀塑体。,当 增加时，整体颗粒成层并与邻近层相滑移，体系体积开始膨胀，由于体积膨胀，原先起润滑作用的分散介质不能充满间隙，而使部分固体颗粒相互直接接触，流动起来很困难，流动阻力增加，产生切力增稠现象。,图 密集悬浮体系在剪切作用下的膨胀,（,A,）静止下的悬浮体系，颗粒好象嵌入相邻空隙中,（,B,）快速剪切下的悬浮体系，颗粒来不及进入层间空隙，各层沿邻层滑动,将上述几种流体的流动曲线汇总到一张图中,图,图,A,牛顿流体,B,宾汉流体,C,假塑性流体,D,胀塑性流体,2.,熔体的弹性表现,A.,爬杆现象,(,结合书上的内容,),如右图，与牛顿型流体不同，,盛在容器中的高分子液体，,当插入其中的圆棒旋转时，,没有因惯性作用,(,离心力,),而,甩向容器壁附近，反而环绕,在旋转棒附近，出现沿棒向,上爬的“爬杆”现象，,这种现象称,Weissenberg,效应，,又称包轴现象。,挤出胀大现象指高分子被强迫挤出口模时，挤出物尺寸,d,要大于口模尺寸,D,，,截面形状也发生变化的现象。,挤出胀大现象影响挤出制品的质量，对挤出成型工艺及挤出口模及机头设计至关重要，以便挤出光滑的制品和有效地控制尺寸。,B.,出模膨胀，挤出物胀大效应,：现象：,指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。,这种现象称挤出胀大现象，也称弹性记忆效应，巴拉斯效应。,原因：,一是入口效应，物料进入口型之前，由于机腔直径较大，流动速率小，进入口型后，直径较小，流动速率大，在口型入口处的流线是收敛的，所以在口型入口处出现沿流动方向的速度梯度，对胶料产生拉伸力，使分子链部分拉直，如果在口型有足够的停留时间，则部分拉直了的分子链还来得及松弛，即来得及消除弹性形变，不把它带出口型之外，只带出真正的塑性形变，挤出后没有胀大现象，然而，由于挤出时流速快，虽然在口型中流动方向的速度梯度已不复存在，但因为停留时间较短，部分拉直了的分子链来不及在口型里松弛，即把弹性形变带出口型外，所以挤出后，流动突然停止，部分伸直了的分子链很快的，大部分地，卷曲回缩，然后挤出物停放时又进一步卷曲回缩，挤出物直径，厚度增大，长度缩小。,挤出胀大比,B,与,L/D,C.,挤出破裂：,高分子熔体从,口模挤出时，当,挤出速度过高，,超过某一临 界,剪切速率时，容易,出现弹性湍流，导致,流动不稳定，挤出物表面粗糙，随挤出速度的增大，可能分别出现波浪形，鲨鱼皮形，竹节形，螺旋形畸变，最后导致完全无规则的挤出物断裂，称为熔体破裂现象。,5.2,非牛顿流体的稳态剪切流动,与牛顿流体的稳态剪切流动相对比,从剪切速率与粘度的关系及表示方法,.,非牛顿流体的粘度表示方法,(,图,5.5),1.,表观粘度,2.,真实粘度,3,、入口区附近的流场分析，,Bagley,修正：,我们在上面的推导中假设毛细管长度,L,是无限长的，事实上是有限长的，流体在流过入口处时，速度因从大口到小口而渐增，流线收敛，所以物料从料筒经入口被挤入毛细管时，引起不同流速层之间粘性的摩擦能量耗散，另一方面，流体从大口流入小口时，在流动方向上产生速度梯度，引起弹性形变，也要消耗能量。这两项能量的损失，使得在毛细管入口处的压力降并不反映真实的压力降。如没有入口效应，实际作用于长,L,管的切应力比有入口效应的要小，所以要扣除这部分入口效应引起的压力降。,右图给出料筒与毛细管中物料内部压力的分布情况，可以看出，对于粘弹性流体，当从料筒进入毛细管时，存在一个很大的入口压力损失，相对而言，出口压力降比入口压力降小得多，所以暂不考虑出口压力降的影响。,入口校正的原理,:,由于实际切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的，所以可将假想的一段管长,eR,加到实际的毛细管长度,L,上，用,L+eR,作为毛细管的总长度,其中,e,为入口修正系数，,R,为毛细管的半径。用作为均匀的压力梯,度，来补偿入口管压力的较大下降。这样，校正后管壁的切应力：,由于,R.e,L0,Tw,正,40,，入口压力降相比毛细管中的压力降可以忽略；,只进行相对比较；,5.3,Weissenberg-rabinowitch,校正,5.4,非牛顿流体的流动曲线,1.,流动曲线的分析,主要是看假塑性非牛顿流体的流曲线。上节课已讲分为三个区。,（,1,）第一牛顿区,流动曲线特点：剪切速率低，剪切应力与剪切速率成正比。图线经过原点。此时粘度是恒定直，定义为零切粘度。,（,2,）第二牛顿区,（,2,）假塑区剪切变稀区,流动曲线特点：剪切应力与剪切速率呈非线性关系，粘度随剪切速率的增大而减小。以表观粘度表示此时的粘度情况,（,3,）第二牛顿区,流动曲线特点：剪切速率很高，流体的粘度是一恒定值。曲线通过原点。此时粘度定义为无穷粘度。,以双对数来表示流动曲线。,.,毛细管流变仪为什么要进行入口校正及校正方法？,2.,非牛顿型流动的幂律方程,描述非牛顿型流动行为的方程，简单实用的经验方程有：,Ostwald-dewale,幂律方程,幂律方程,剪切应力与剪切速率的某次方成正比,(4-1),其中，,k,为流体的稠度，,k,越大，流体越粘，,k,是与温度有关的参数。,n,为流动指数，,n=d/d,为在,-,对数坐标中曲线的斜率。,一般说来，在,变化不是太宽的范围内，大多数流体的,k,、,n,可看作常数。,流变指数,n,表征非牛顿流体与牛顿流体之间的差异程度，当,n=1,时，即为牛顿粘度定律，,k=,0,当,n1,时，则为胀塑性体，可见，,n,与,1,之差，可作为流体的非牛顿性的量度指标，,n,值越小，偏离牛顿型越远，粘度随,增大而降低越多，流变性越强。,影响,n,与,k,的因素：,a,：,剪切速率,，同一种材料，在不同的剪切速率范围内，,n,不是常数，剪切速率越大，,n,越小，见下表，材料的非牛顿性越强。,b,：,温度,，例如，,PE,熔体在,r=10S,-1,条件下，当温度为,230,时，,n=0.49,当温度降至,108,，,n=0.32,可见，,n,随温度降低而减小，降低温度，分子链运动不够活跃，粘弹效应突出，更易引起非牛顿型流动。,K,随温度升高而减小。,K,是稠度指数，温度升高，流体粘性减小，,K,减小。,其它形式的幂律方程：,将,=Kr,n,写为：,令,m=1/n,则,所以，,r=k,m,其中，,k,称为流动常数，,m,为流变指数,n,的倒数，假塑性体,m1,如塑料的,m,约为,14,也有：,=Kr,n,=,a,r,a,=kr,n-1,幂律流体的缺陷,：,A,：不能反映流体的弹性形变，前已述及，流体除粘性形变外，还有部分可回复的弹性形变。,B,：,n,值随剪切速率变化而变化，非定值，只有在较宽的,r,范围内才可以认为是常数，在使用中要注意。,C,：不能表示,r0,和,r,时的粘度。,D,：量纲上有问题，,K,不具粘度的量纲，,K,单位随,n,变化,尽管如此，由于在公式上的简单性，在工程上有较大的实用价值。,4.,触变性,许多聚合物流体呈现另一种流动特性，,触变性流体：一类具有三维网络结构的流体，称为凝胶。由分子间的氢键等作用力形成。,触变性：凝胶结构形成和破坏的能力。粘度随剪切速率的增大而减小。即假塑性。,发生触变性的过程：,由于形成触变性流体的力很弱，当受剪切力作用，它很容易断裂，凝胶逐渐受到破坏，这种破坏具有时间依赖性，凝胶完全破坏，称为溶胶。,图,1,与流变时间相关的非牛顿流体流变曲线,