第五章非粘性流动.ppt
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Tw.,e的确定分法：保持一定流速Q，即在一定的切变速率下，测量不同长径比的压力降p，以P 对L/D作图得一直线，它在横坐标上的截距即是-e，如下图，由右图中三角关系得：其中，dp柱塞直径 F柱塞所受载荷F0：毛细管长度为0时的载荷P：总压力降 P入口压力降（毛细管长度为0时压力降）在以下两种情况下可不进行入口校正：L/R 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=Krn 写为：令 m=1/n,则所以，r=km 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：=Krn=ar a=krn-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,
