聚合物流变学3.ppt

第三章 高分子流体的流变模型 3.1 流动类型 1. 层流和湍流 层流，稳定流动，流体可看作是假想的 层状流体所组成，层与层之间没有流动。 湍流，不稳定流动，无所谓层的概念，窜流产生。 Re= DVρ/η Re2300层流 ； Re 2300湍流。 高聚物熔体在成型条件下的雷诺准数Re值很少大于1，一般呈现层流状态。但是在特殊场合，如经小浇口的熔体注射进大型腔。由于剪切应力过大等原因，会出现弹性引起的湍流，造成熔体的破碎。 2. 稳定流动与不稳定流动 若在流体流动的过程中，在任何位置的流动状态保持恒定，即不随时间变化，这种流动称为稳定流动。 稳定流动指的是在指定的任何一个位置，其流动状态不随时间变化，但不同位置流体的流动状态可以是不同的。 例如，在正常操作的挤出机中，塑料熔体沿螺杆螺槽向前流动属稳定流动，其流速、流量、压力、温度分布等参数不随时间变化。 若在流体流动的过程中，在某一位置的流动状态随时间而变化，此种流动称为不稳定流动。 例如，在注塑成型的充模过程中，聚合物熔体的流动属不稳定流动。此时模具型腔内的流动速度、温度、压力等各种与流动相关的参数均随时间而变化。 3. 等温流动与非等温流动 等温流动是指流体各处温度保持不变情况下的流动。 高聚物熔体的流动一般均呈现非等温状态。 a.成型工艺要求将流程各区域控制在不同的温度下； b.黏性流动过程中有生热和热效应。 使流体在流道径向和轴向存在一定的温度差。 4. 一维流动、二维流动和三维流动 一维流动：流体内质点的速度仅在一个方向上变化。 二维流动:流道截面上各点的速度需要两个垂直于流动方向的坐标表示。 三维流动：流体在截面变化的通道中流动，如锥形通道，流体的流速要用三个相互垂直的坐标表示。 5. 剪切流动与拉伸流动 ① 剪切流动 流体在流动过程中存在来自于边界与流体层或流体层之间的剪切作用； 速度梯度与流动方向垂直； 剪切流动产生横向速度梯度场 ② 拉伸流动 流体在牵引力的作用下产生变细、变长的流动过程； 速度梯度与流动方向平行； 拉伸流动产生纵向速度梯度场 ② 拉伸流动 拉伸流动形式则主要体现在纺丝、中空吹塑或吹膜过程中，高分子熔体或浓溶液的流动。 在力学性能测试中，被拉伸样品的形变也是拉伸流动的表现方式。 ③ 拖曳流动or 压力流动 拖曳流动的特点: 边界运动，带动流体运动。 例如由运动的平面、圆柱面、锥面带动的流动。 橡胶在辊筒上的流动有拖曳流动的特点； 在各种各样的流变仪，诸如平板流变仪、锥板流变仪以及旋转流变仪中，高分子熔体的流动就是典型的拖曳流动。 压力流动的特点 边界不运动，流体在静压差的作用下产生流动。 例如在圆管中和通过两平面之间的缝隙的流动。 这种流动形式在高分子加工过程中更为常见，例如挤出与注塑过程中高分子熔体在口模中的流动。 拖曳流动yu 压力流动同属 剪切流动 3.2 剪切应力、剪切速率与剪切粘度 1. 剪切应力 拖曳流动与压力流动基本上都可以看作是层流的复合体。 沿流动方向，作用在每一层单位面积上的剪切力，叫做剪切应力（τ）。 ① 以平板拖曳流动为例 ② 以圆管压力流动为例 2. 剪切速率 3. 剪切粘度 定义为在流体内部某点处的剪切应力与剪切速率的比值。 剪切粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。 粘度是流体的物性之一，粘度也是反映流体粘性大小的物理量。 3.3 牛顿型流体 1）定义： 牛顿流体是指符合牛顿流动规律的流体， 也就是流体的剪切应力与剪切应变速率成正比例关系， 粘度为常数的线性粘性流体。 2）牛顿流体的流动曲线 牛顿型流体是理想粘性流体的最佳实例。它仅仅决定于温度和压力。 3）绝大多数高聚物熔体的流动行为都不符合牛顿流动规律，少数聚合物如聚碳酸酯、偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物，在一定条件下可以看作是牛顿流体。 3.4 非牛顿型流体 3.4 非牛顿型流体 ① 分类： 不遵循牛顿粘度定律的流体都称之为非牛顿流体。 其粘度在一定温度下并不是个常数，而且还会随剪切应力、剪切速率的变化而变化，有的还会随时间而变化。 通常非牛顿流体的粘度表示为： ②幂律流体模型 Ⅰ. 基本形式： 幂律方程的基本形式为 ???? 其中k 为稠度系数，是与温度有关的参数 ，k值随温度升高而下降。单位：N/m2·Sn 当n = 1时，幂律方程反映牛顿流体， 不同流体的流动曲线 n偏离1的程度越大，表明材料的假塑性（非牛顿性）越强；n与1之差，反映了材料非线性性质的强弱。 大多数流体在剪切速率变化不是太宽的范围内，k 和n 都可以看作是常数； 一般橡胶材料的n值比塑料更小些。 n值可以作为材料非