聚合物流体的流变性

聚合物流体的流变性

第一节聚合物流体的流动类型

1. 层流和湍流

层流 湍流

过渡态（介于层流与湍流）

聚合物熔体，在成型过程中流动时，其雷诺准 数一般小于10,分散体也不会大于2100,因此其 流动均为层流。

Re<2100

低分子流体彳Re>2100

Re=2100—4000

原因：

粘度高，如低密度聚乙烯的熔体粘度约0.3X102-

lX103Pa.s,而且流速较低，在加工过程中剪切速率一般不大于103s-i o

但是在特殊场合，如经小浇口的熔体注射

ID

进大型腔，由于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。

2.稳定流动与不稳定流动

凡流体在输送通道中流动时，该流体在任何

部位的流动状况保持恒定，不随时间而变化，即一切影响流体

流动的因素都不随时间而改变，此种流动称为稳定流动。

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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，因其流速、流量、压力和温度

分布等参数均不随时间而变动。

3.等温流动和非等温流动

等温流动是指流体各处的温度保持不变情况下的流动。

在等温流动情况下，流体与外界可以进行热量传递，但传入和输出的热量应保持相等。

常常将熔体充模流动阶段当作等温流动过程来处理，因为的流变分析大为简化。

C c 在聚合物加工的实际条件下，聚合物流体的流动一般均呈

现非等温状态。

一方面是由于成型工艺要求将流道各区域控制在不同的温度下；

另一方面，是由于粘性流动过程中有生热和热效应。

这些都使其在流道径向和轴向存在一定的温度差。例如塑料的注射成型，熔体在进入低温的模具后就开始冷却睦瘟。丿

4•一维流动、二维流动和三维流动

当流体在流道内流动时、由于外力作用方式和流道几何形状的不同，流体内质点的速度分布具有不同特征：

例如

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的函数，是一种典型的一维流动。

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。例如流体在矩形和椭圆型截 面

道中流动时，其流速在通道的高度和宽度两个方 向均发生变化，是典型的二维流动。

三维流动：流体在截面变化的通道中流动，如锥 形通道或收缩型管道，其质点速度不仅沿通道截面的 纵横两个方向变化，而且也沿主流动方向变化。即流 体的流速要用

三个相互垂直的坐标表示，因而称为三 ________________ Q

二维

流动和三维流动的规律在数学处理 上，比较一维流动要复杂很多。

有的二维流动，如平行板狭缝通道和间隙 很小的

圆环通道中的 似处理时不会有很大的误差。

维流动。

ID

5・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关系，可将聚合物加工时的流体的流动分为两类：

拉伸流动和剪切流动的速度分

布

（牧箭头所指为流体沆动方向）

拉伸流动：质点速

度沿着流动方向发

剪切流动:质点速

度仅沿着与流动方向

垂直的方向发生

变

化。

剪切流动按其流动的边界条件可分为拖曳流动和压力流动

由边界的运动而产生的流动，如运转滚筒表

而边界固定，由外压力作用于流体而产生的流

动，称为压力流动

聚合物熔体注射成型时，在流道内的流动属 于压力梯度引起的剪切流动。

聚合物在挤出机螺槽中的流动为另一种剪切 流动，即拖曳流动。

ID 面对流体的剪切摩擦而产生流动，即为拖曳流动

例如

第二节聚合物流体的非牛顿剪切粘性

聚合物流体在加工过程中受力的类型有三种:

剪切应力、拉伸应力和静压力

在高分子材料成型过程中，聚合物的材料随受力性质与作用位置的不同而产生不同类型的应力、应变和应变速

率。

对成型影响最大的是剪切应力因为成型时液态聚合物在设备或模具中流动的压力降、所需功率以及制品质

量等都要受到它的制约。

其次是拉伸应力，经常与剪切应力同时出现，如用吹塑法或拉幅法生产薄膜，熔体在变截面导管中的流动以及

单丝的生产等。

纫9/8/3 成型时液体静压力影响相对较小，可忽略不计，

但对粘度有影响。

为剪切流动。

例如:

聚合物在简单的管和槽中的流动，由于压力的

作用引起的流动，属于简单的一维压力流动，在

流动中只受到剪切力的作用。

为研究方便，可将层流流体视为一层层彼此相邻的液体在剪切应力T作用下的相对滑移。

液体在管道内时流动速度与管径的几何关系

层流可以用牛顿流体流动定律来描述:

在一定温度下，施加于相距dr的液层上的剪切应

（单位为N/m2），与层流间的剪切速率小）/血（又称速

度梯度，单位为日）成正比，其表达式：

dv ・

r = 77 ——=7/

dr

式中n-比例常数，称为粘度，Pa-s

加工过程中聚合物流变行为可用粘度1］表征

A

ID

粘度：液层单位表面上所加的剪切力与液层间的速度梯度（剪切速率）的比值，

粘度是液体自身所固有的性质，它的大小表征液体

抵抗外力引起流动变形的能力。

对于小分子流体该粘度为常数，称为牛顿粘度。

而对于聚合物流体，由于大分子的长链结构和缠结，剪切力和剪切速率不成比例，流体的剪切粘度不是常数，依赖于剪切作用。

具有这种行为的流体称为非牛顿流体，非牛顿流体的粘度定义为非牛顿粘度或表观粘度。

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