聚合物熔体流动讲稿.ppt

关于聚合物熔体流动第一页，讲稿共二十五页哦一、牛顿流体及流变方程一、牛顿流体及流变方程低分子在圆管内的流动低分子在圆管内的流动Re2100Re2500Re2500，湍流，湍流聚合物加工时聚合物加工时Re1 Re1 是层流是层流以下是层流模型以下是层流模型 相邻液体相对滑移相邻液体相对滑移F F:外部作用于整个液体的恒定外部作用于整个液体的恒定剪切力剪切力;A A:为向两端为向两端无限延伸无限延伸的液层的的液层的面积面积。液层上的剪应力液层上的剪应力 图图3-1 3-1 管中层流模型管中层流模型速度梯度等于剪切速率速度梯度等于剪切速率应变应变:表现为恒定的速度表现为恒定的速度摩擦摩擦:速度差速度差 dr v v+dvdr v v+dv (4.1-2)N/mm2 (4.1-1)2 2第二页，讲稿共二十五页哦牛顿流体牛顿流体剪应力剪应力与与剪切速率剪切速率的关系的关系(4.1-3)(4.1-3)液层单位表面上施加的液层单位表面上施加的剪应力剪应力与液层间的与液层间的剪切速度梯度剪切速度梯度 (剪切速率剪切速率)成正比成正比,是流体的是流体的牛顿定律牛顿定律。为比例常数称为为比例常数称为 牛顿粘度牛顿粘度是液体的固有属性是液体的固有属性与液体与液体结构结构及所处的及所处的温度条件温度条件有关，其单位是有关，其单位是Pa.sPa.s牛顿流体流动时应力牛顿流体流动时应力应变关系的特点如图应变关系的特点如图3 32 2所示。所示。在应力作用的时间在应力作用的时间t t1 1-t-t2 2 内，应力引起的内，应力引起的总应变总应变：(4.1-4)(4.1-4)3 3第三页，讲稿共二十五页哦图图3-2 3-2 牛顿流体牛顿流体应力应力-应变的关系应变的关系及剪切速率及剪切速率-粘度的关系粘度的关系（a a）时间）时间-应力应力（b b）时间）时间-应变应变（c c）剪切速率）剪切速率-剪切应力剪切应力（d d）剪切速率）剪切速率-牛顿粘度牛顿粘度4 4第四页，讲稿共二十五页哦结结 论论1.牛顿流体的黏度不随剪切速率变化牛顿流体的黏度不随剪切速率变化(d)d)图图2.牛顿流体中的牛顿流体中的应变应变具有具有不可逆性质不可逆性质，应力解除后，应力解除后应变以应变以永久形变永久形变保留下来保留下来,这是这是纯粘性流体的特点纯粘性流体的特点。5 5第五页，讲稿共二十五页哦二、二、非牛顿流体非牛顿流体及其流变行为及其流变行为 所以，聚合物液体的流变行为所以，聚合物液体的流变行为不服从不服从牛顿流动规律。牛顿流动规律。这类液体流动时剪切力和剪切速率这类液体流动时剪切力和剪切速率不再成比例不再成比例关系：关系：通常把流动行为通常把流动行为不服从牛顿流动定律不服从牛顿流动定律的流动称为的流动称为非牛顿型流动非牛顿型流动，具有这种流动行为的液体称为具有这种流动行为的液体称为非牛顿液体非牛顿液体。聚合物加工时大都处于聚合物加工时大都处于中等剪切速率中等剪切速率范围内。此时，大多数聚合物都范围内。此时，大多数聚合物都表现为表现为非牛顿液体非牛顿液体。由于大分子的由于大分子的长链结构长链结构和和缠结缠结聚合物熔体的流动行为远比低分子液聚合物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。体复杂。在宽广的在宽广的内，内，=10=1010104 4s s-1-1加工范围）加工范围）常数常数6 6第六页，讲稿共二十五页哦图图3-33-3典型典型非牛顿流体非牛顿流体与与 的关系的关系（a a）剪应力）剪应力-剪切速率剪切速率不同类型流体的流动曲线不同类型流体的流动曲线（b b）粘度）粘度-剪切速率剪切速率不同类型流体不同类型流体xueshu7 7第七页，讲稿共二十五页哦表表4-14-1非牛顿流体三种类型非牛顿流体三种类型流体分类流体分类粘性液体粘性液体粘弹性液体粘弹性液体时间依赖性液体时间依赖性液体流动行为时间表流动行为时间表达式达式应变特征应变特征不可逆形变不可逆形变(粘性流动粘性流动)不可逆形变不可逆形变(粘性粘性流动流动)与可逆形变与可逆形变的的迭加迭加与粘弹性液体相同与粘弹性液体相同,还与还与应力作用时间有关应力作用时间有关非牛顿流体的特征非牛顿流体的特征(1)(1)剪应力与剪切速率不成正比剪应力与剪切速率不成正比,粘度取决于剪切作用粘度取决于剪切作用(2)(2)非牛顿性是粘性和弹性行为的综合，流动过程中非牛顿性是粘性和弹性行为的综合，流动过程中包含着包含着不可逆形变和可逆形变两种成分不可逆形变和可逆形变两种成分。8 8第八页，讲稿共二十五页哦粘性液体与粘性液体与指数定律指数定律（4.1-5b）（4.1-5a）粘性液体粘性液体:假塑性液假塑性液体体胀塑性液胀塑性液体体宾汉流体宾汉流体指数定律指数定律:聚合物粘性液体，在定压与定温下剪切速率范围聚合物粘性液体，在定压与定温下剪切速率范围内流动时，剪切力和剪切速率具有内流动时，剪切力和剪切速率具有指数函数指数函数关系。关系。式（式（4.1-54.1-5）中）中K K：粘度系数或稠度系数：粘度系数或稠度系数 n n：流动指数：流动指数(非牛顿指数）非牛顿指数）9 9第九页，讲稿共二十五页哦图图4-4 4-4 不同流体的不同流体的loglog-log-log关系关系1-牛顿流体牛顿流体 n=12-膨胀性液体（膨胀性液体（n1)(服从指数定律服从指数定律)3-假塑性流体（假塑性流体（n1)(服从指数定律服从指数定律)4-假塑性流体（假塑性流体（n TT Tf f(Tg+100)(Tg+100)时，时，（4.2-14.2-1）热塑性聚合物：热塑性聚合物：T T （指数式降低）（指数式降低）式中式中A A：与材料性能、剪切速率与剪切应力有关的：与材料性能、剪切速率与剪切应力有关的粘度常数粘度常数 ；R R：气体常数气体常数 (8.32 J(8.32 Jmolmol.K)K)；EE：聚合物的粘流活化能：聚合物的粘流活化能(J/mol)(J/mol)。在给定范围内在给定范围内A A、R R、EE为常数为常数粘度就仅与温度粘度就仅与温度T T或（或（1/T)1/T)有关，有关，以以log log 对对T T或（或（1/T)1/T)作图在一定范围内可得直线：作图在一定范围内可得直线：直线的斜率即为活化能直线的斜率即为活化能EE，EE的大小的大小温度对粘度的影响温度对粘度的影响E E 熔体黏度对温度愈敏感熔体黏度对温度愈敏感1414第十四页，讲稿共二十五页哦图图3-5温度对粘度的影响温度对粘度的影响1-PS1-PS，2-PC2-PC，3-PMMA3-PMMA，4-PP4-PP5-CA5-CA，6-HDPE6-HDPE，7-POM7-POM，8-PA8-PA，9-PEDT9-PEDT对于给定剪切速率对于给定剪切速率 在一定温差在一定温差T=TT=T1 1-T-T2 2（=40=40）下敏感度不同）下敏感度不同图中表明：图中表明：1-PS1-PS、2-PC2-PC、3-PMMA3-PMMA、5-CA5-CA9-PEDT(3,4 9-PEDT(3,4 聚乙烯基二氧噻吩聚乙烯基二氧噻吩)导电导电聚合物聚合物比比 6-PE6-PE、4-PP4-PP、和、和7-POM(7-POM(聚甲醛）对聚甲醛）对温度更为敏感温度更为敏感用用（T T1 1）/（T T2 2）表示敏感性）表示敏感性1515第十五页，讲稿共二十五页哦 注意注意:对于温度粘度关系，还应考虑对于温度粘度关系，还应考虑时间时间作用，作用，聚合物加工温度下聚合物加工温度下,长期受热长期受热,都会有都会有不同程不同程度的降解度的降解,高温区停留时间长高温区停留时间长,降解严重。控降解严重。控制制温度与时间温度与时间都非常重要。都非常重要。1616第十六页，讲稿共二十五页哦二、压力对粘度的影响二、压力对粘度的影响聚合物由于有聚合物由于有 “自由体积自由体积”所以可压缩性，所以可压缩性，内受静压、外受外压（内受静压、外受外压（1010300MPa300MPa），），压力压力体积减小体积减小聚酰胺聚酰胺(PA)(PA)和和 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(PMMA)压力达压力达100100个大气压体积个大气压体积1%1%压力达压力达700700个大气压体积个大气压体积3.5%3.5%聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)(PS)和低密度聚乙烯和低密度聚乙烯(LDPE)(LDPE)压力达压力达100100个大气压体积个大气压体积5.1%5.1%压力达压力达700700个大气压体积个大气压体积5.5%5.5%1717第十七页，讲稿共二十五页哦图图4-6 4-6 压力对粘度的影响压力对粘度的影响 1-PMMA,2-PS,3-HDPE,4-CA T=177 压缩率压缩率-压力的关系压力的关系LDPE 压力压力-粘度的关系粘度的关系1818第十八页，讲稿共二十五页哦结论结论:压力增大压力增大粘度增大粘度增大 (相当于相当于)降低温度降低温度所以所以,希望增大流量希望增大流量,仅增大压力，不一定达到目的。仅增大压力，不一定达到目的。增大压力增大压力磨损增大磨损增大功率消耗增大功率消耗增大了解压力了解压力 -粘度的关系。粘度的关系。维持恒定粘度的条件下，压力对温度的效应是维持恒定粘度的条件下，压力对温度的效应是T/PT/P（3 39 9）1010-2-2/大气压大气压聚丙烯和低密度聚乙烯对压力较为敏感。聚丙烯和低密度聚乙烯对压力较为敏感。1919第十九页，讲稿共二十五页哦三、剪切速率（应力）对粘度的影响三、剪切速率（应力）对粘度的影响在加工条件下，大多数聚合物表现为非牛顿流体，在加工条件下，大多数聚合物表现为非牛顿流体，当当剪切速率较低剪切速率较低时（非牛顿区）时（非牛顿区），为103109 Pa.s 这时，这时，分子量大分子量大 粘度大粘度大（4.2-5）但不同聚合物对剪切速率的敏感度不同，但不同聚合物对剪切速率的敏感度不同，粘度对剪切速率的敏感度可以用下式表示：粘度对剪切速率的敏感度可以用下式表示：（100-1 s）/（1000-1s）聚乙烯聚乙烯PE、聚丙烯、聚丙烯PP、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC都对都对 剪切速率敏剪切速率敏感感，聚甲醛聚甲醛POM、聚碳酸酯、聚碳酸酯PC对剪切速率对剪切速率不太敏感不太敏感。2020第二十页，讲稿共二十五页哦1-PMMA（200），2-HDPE（190），），3-PA-6（260）4-CA（190），5-PS（204）图图4-7 4-7 不同聚合物剪切速率对粘度的影响不同聚合物剪切速率对粘度的影响2121第二十一页，讲稿共二十五页哦 1.1.链的链的柔性柔性越大，缠结点越多越大，缠结点越多链的解缠滑移愈困难链的解缠滑移愈困难,其其非牛顿性越强非牛顿性越强。链的链的刚硬性刚硬性增加和分子间吸引力增大增加和分子间吸引力增大(如极性聚合物和结晶聚合物如极性聚合物和结晶聚合物)时，时，熔体熔体粘度对温度的敏感性增加粘度对温度的敏感性增加,提高聚合物的温度利于增加流动性。如提高聚合物的温度利于增加流动性。如聚碳酸酯聚碳酸酯PCPC、聚苯乙烯、聚苯乙烯PSPS、聚酰胺、聚酰胺PAPA等。等。2.2.分子中分子中支链结构支链结构对粘度有影响，特别长支链对粘度的影响最大对粘度有影响，特别长支链对粘度的影响最大 长支链增加会与其邻近分子的缠结因此它对熔体或溶液流动性的影长支链增加会与其邻近分子的缠结因此它对熔体或溶液流动性的影响比短支链重要。响比短支链重要。一般，在相同特性粘度一般，在相同特性粘度时，长支链支化会使粘度增大，支化越高，粘时，长支链支化会使粘度增大，支化越高，粘度越大度越大.长支链的增加使粘度对剪切速率的敏感性增加。长支链的增加使粘度对剪切速率的敏感性增加。当零剪切粘度相同时当零剪切粘度相同时,有有支化支化的聚合物比的聚合物比没有支化没有支化同一聚合物非牛顿的同一聚合物非牛顿的临界剪切速率要低临界剪切速率要低。四、聚合物的结构组成对粘度的影响四、聚合物的结构组成对粘度的影响2222第二十二页，讲稿共二十五页哦3.3.链结构中链结构中侧基侧基含量大，含量大，“自由体积自由体积”大，大，粘度对压力的敏粘度对压力的敏感性感性就大。就大。如如:PMMA:PMMA、PSPS通过升高温度和调整压力，提高流动通过升高温度和调整压力，提高流动性。性。4.4.分子量增大，流动粘度大分子量增大，流动粘度大常数常数C C的大小取决于聚合物的大小取决于聚合物,Mw,Mw为为 重均分子量重均分子量当当MwMc(MwMc,MwMc,粘度随分子量的粘度随分子量的3.43.43.53.5次方增加。次方增加。流动温度高，受热稳定限制，有时加工十分困难。流动温度高，受热稳定限制，有时加工十分困难。提高分子量提高分子量虽能提高物理机械性质，但虽能提高物理机械性质，但加工受到限制加工受到限制。（4.2-64.2-6）改进方法加入溶剂或增塑剂，改善加工性能。改进方法加入溶剂或增塑剂，改善加工性能。2323第二十三页，讲稿共二十五页哦5.5.添加剂对粘度的影响添加剂对粘度的影响 添加剂添加剂主要有填料、色料、润滑剂、溶剂、增塑剂、稀释主要有填料、色料、润滑剂、溶剂、增塑剂、稀释剂、热稳定剂和防老剂等。剂、热稳定剂和防老剂等。添加剂分为两类：添加剂分为两类：1.粉末或纤维状固体粉末或纤维状固体2.能与聚合物相溶或混溶的液体能与聚合物相溶或混溶的液体(有些室温下不溶有些室温下不溶,但熔融温但熔融温度下相溶度下相溶)固体的作用固体的作用:增强或增强或降低成本降低成本固体增加多固体增加多,粘度增大粘度增大。溶剂可以使溶剂可以使缠结减少缠结减少,降低分子间作用力降低分子间作用力,增大流动度。增大流动度。2424第二十四页，讲稿共二十五页哦感谢大家观看第二十五页，讲稿共二十五页哦