高分子材料流变学.ppt

Qingdao University of Science and TechnologyQingdao，2011高分子材料流变学高分子材料流变学Rheology of Polymer Materials 青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 王新王新 杨文君杨文君青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院研究高分子材料流变性的意义研究高分子材料流变性的意义高分子熔体和溶液具有流动性和可塑性，是高分子材料可以加工成型不高分子熔体和溶液具有流动性和可塑性，是高分子材料可以加工成型不同形状制品的依据；同形状制品的依据；研究流变规律性，对于聚合工程和聚合物加工工程的合理设计、优化和研究流变规律性，对于聚合工程和聚合物加工工程的合理设计、优化和正确操作，实现高产、优质、低耗具有指导意义；正确操作，实现高产、优质、低耗具有指导意义；在当前高分子工程中，流变学设计已成为分子设计，材料设计，制品设在当前高分子工程中，流变学设计已成为分子设计，材料设计，制品设计及模具与机械设计的重要组成部分。计及模具与机械设计的重要组成部分。主要内容主要内容第第1章章 高分子液体的奇异流变性和流动机理高分子液体的奇异流变性和流动机理11 奇异的流变性质奇异的流变性质12 高分子黏流态特征及流动机理高分子黏流态特征及流动机理第第2 2章章 高分子液体的基本流变性质高分子液体的基本流变性质21 基本物理量与基本流变函数基本物理量与基本流变函数22 假塑性流体的流动规律假塑性流体的流动规律23 关于关于“剪切变稀剪切变稀”和熔体弹性的说明和熔体弹性的说明第第3章章 关于高分子液体黏弹性的讨论关于高分子液体黏弹性的讨论31 影响剪切黏度的主要因素影响剪切黏度的主要因素32 高分子液体弹性效应的描述高分子液体弹性效应的描述第第4章章 剪切黏度的测量方法剪切黏度的测量方法41 毛细管流变仪测量表观剪切黏度毛细管流变仪测量表观剪切黏度42 恒速式双毛细管流变仪简介恒速式双毛细管流变仪简介43 锥板型转子流变仪简介锥板型转子流变仪简介44 落球式黏度计的测量原理落球式黏度计的测量原理第第5章章 高分子熔体流动不稳定性高分子熔体流动不稳定性51 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为挤出过程中的畸变和熔体破裂行为52 纺丝成型过程中的拉伸共振现象纺丝成型过程中的拉伸共振现象 第第6章章 加工成型过程的流变分析加工成型过程的流变分析 6.1压延工艺的流变分析压延工艺的流变分析6.2挤出成型的流变分析挤出成型的流变分析6.3 注射成型的流变分析注射成型的流变分析青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院第一章第一章 高分子液体的奇异流变性和流动机理高分子液体的奇异流变性和流动机理11 奇异的流变性质奇异的流变性质“剪切变稀剪切变稀”行为（行为（shear-thinning）:多数高分子液体的黏度随剪切速率多数高分子液体的黏度随剪切速率增大而下降。增大而下降。“剪切变稠剪切变稠”效应（效应（shear-thickening）:呈少数高分子体系，如高浓度的呈少数高分子体系，如高浓度的聚氯乙烯塑料溶胶、高浓度填充体系等，黏度随剪切速率增大反常地升高。聚氯乙烯塑料溶胶、高浓度填充体系等，黏度随剪切速率增大反常地升高。通常把具有通常把具有“剪切变稀剪切变稀”效应的流体称假塑性流体（效应的流体称假塑性流体（pseudoplastic fluid），具有），具有“剪切变稠剪切变稠”效应的流体称胀流性流体（效应的流体称胀流性流体（dilatant fluid）。）。它们均属于非牛顿流体范畴。它们均属于非牛顿流体范畴。1）高黏度与）高黏度与“剪切变稀剪切变稀”行为行为2）挤出胀大现象）挤出胀大现象图图8-1 挤出胀大效应示意图挤出胀大效应示意图又称口模膨胀效应（又称口模膨胀效应（die swell）或或Barus效应效应青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院3）爬杆现象爬杆现象（Weissenberg效应）效应）又称又称Weissenberg效应。出现原因效应。出现原因也被归结为高分子液体是一种弹性液也被归结为高分子液体是一种弹性液体，具有法向应力差效应。体，具有法向应力差效应。图图8-2 高分子液体高分子液体“爬杆爬杆”效应示意效应示意图图 4）挤出畸变挤出畸变和和熔体破裂熔体破裂现象现象光滑光滑 20 s20 s-1-1光滑光滑 30 s-1鲨鱼鲨鱼皮畸皮畸变变100 s-1鲨鱼鲨鱼皮畸皮畸变变200 s-1黏黏-滑滑转变转变300 s-1螺螺纹纹状畸状畸变变800 s-1螺螺纹纹状畸状畸变变1000 s-1熔体破裂熔体破裂2000 s-1图图8-3 不同挤出速率下不同挤出速率下LLDPE熔体挤出物外观照片熔体挤出物外观照片 青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 这些现象也与高分子液体的弹性有关。由于有弹性因此液体能承受拉伸形这些现象也与高分子液体的弹性有关。由于有弹性因此液体能承受拉伸形变，产生拉伸流动，且拉伸液流的自由表面相当稳定。这是高分子液体具变，产生拉伸流动，且拉伸液流的自由表面相当稳定。这是高分子液体具有良好纺丝（一维拉伸）和成膜（一维或二维拉伸）能力的根据。有良好纺丝（一维拉伸）和成膜（一维或二维拉伸）能力的根据。5）无管虹吸，拉伸流动和可纺性）无管虹吸，拉伸流动和可纺性图图8-4 无管虹吸和侧壁虹吸效应示意图（无管虹吸和侧壁虹吸效应示意图（N表示牛顿流体，表示牛顿流体，P表示高分子液体）表示高分子液体）青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院1 .2 高分子黏流态特征及流动机理高分子黏流态特征及流动机理 黏流态黏流态 高分子材料的黏流态，指温度处于黏流温度（高分子材料的黏流态，指温度处于黏流温度（Tf）和分解温度）和分解温度（Td）之间的一种凝聚态。从宏观看，黏流态主要特征是在外力）之间的一种凝聚态。从宏观看，黏流态主要特征是在外力场作用下，熔体产生不可逆永久变形和流动。微观看，发生黏性场作用下，熔体产生不可逆永久变形和流动。微观看，发生黏性流动时分子链产生重心相对位移的整链运动。流动时分子链产生重心相对位移的整链运动。非晶态线形高分子材料的形变非晶态线形高分子材料的形变-温度曲线示意图温度曲线示意图ML、MH分别代表低分子量和高分子量分别代表低分子量和高分子量 低结晶度线形高分子材料的形变低结晶度线形高分子材料的形变-温度曲线示意图温度曲线示意图ML、MH分别代表低分子量和高分子量分别代表低分子量和高分子量 青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链研究表明，黏流态下大分子流动的基本结构单元并不是分子整链，而是链段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。段，分子整链的运动是通过链段的相继运动实现的。研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增研究高分子黏流活化能时发现，当熔体分子量很低时，随分子量增大而增大。分子量达到一定值后，值趋于恒定。与该恒定值对应的最低分子量相大。分子量达到一定值后，值趋于恒定。与该恒定值对应的最低分子量相当于由当于由20-30个个C原子组成的链段的大小，说明熔体流动的基本结构单元原子组成的链段的大小，说明熔体流动的基本结构单元是链段。是链段。表表8-2 8-2 部分聚合物的流动温度部分聚合物的流动温度聚合物聚合物流动温度流动温度/聚合物聚合物流动温度流动温度/天然橡胶天然橡胶126-160聚丙烯聚丙烯200-220低压聚乙烯低压聚乙烯170-200聚甲基丙烯酸甲聚甲基丙烯酸甲酯酯190-250聚氯乙烯聚氯乙烯165-190尼龙尼龙66250-270聚苯乙烯聚苯乙烯170聚甲醛聚甲醛170-190流动机理流动机理 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学 第二章第二章 高分子液体的基本流变性质高分子液体的基本流变性质21 基本物理量与基本流变函数基本物理量与基本流变函数211 剪切应力分量和法向应力分量剪切应力分量和法向应力分量图图8-6 单位立方体上各应力单位立方体上各应力分量的位置关系分量的位置关系应力应力定义为外力或外力矩作用下材料内部或表面定义为外力或外力矩作用下材料内部或表面单位面积上的响应力，单位为单位面积上的响应力，单位为Pa（1Pa=1N/m2）或）或MPa(1MPa=106 Pa)。实际材料受外力作用后内应力状态十分复杂。分析某点附近立方体三个正交独立平面上的应力综合，就能完整描述该点的应力状态。应应力分两类：一类应力作用在相应面元的法线力分两类：一类应力作用在相应面元的法线方向上，称方向上，称法向应力分量法向应力分量；一类应力作用在；一类应力作用在相应面元的切线方向上，称相应面元的切线方向上，称剪切应力分量剪切应力分量。应力分两类：一类应力作用在相应面元的法线应力分两类：一类应力作用在相应面元的法线方向上，称方向上，称法向应力分量法向应力分量；一类应力作用在相；一类应力作用在相应面元的切线方向上，称应面元的切线方向上，称剪切应力分量剪切应力分量。青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院高分子液体流动时三个法向应力分量互不相等，存在法向应力差（normal stress difference）。通常定义两个法向应力差函数描写这种性质：性质：第一法向第一法向应应力差力差 第二法向第二法向应应力差力差 式中式中称偏称偏应应力分量，力分量，p为为各向同性水各向同性水压压力。力。剪切应力剪切应力反应了液体流动时的内摩擦，表现为黏性。反应了液体流动时的内摩擦，表现为黏性。法向应力法向应力反应了液体所受的挤压和拉伸，表现为弹性。反应了液体所受的挤压和拉伸，表现为弹性。小分子液体流动时，三个法向应力相等，因此小分子液体无弹性，只有黏性。小分子液体流动时，三个法向应力相等，因此小分子液体无弹性，只有黏性。三个法向应力分量互不相等是高分子液体具有弹性的表现，因此高分子液体称三个法向应力分量互不相等是高分子液体具有弹性的表现，因此高分子液体称黏弹性液体。法向应力差函数可作为描述液体弹性的物理量。黏弹性液体。法向应力差函数可作为描述液体弹性的物理量。青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 212 速度梯度和形变速率速度梯度和形变速率单位时间内发生的形变。在剪切流场中称单位时间内发生的形变。在剪切流场中称剪切速率剪切速率（shear rate）；在拉伸流场中称）；在拉伸流场中称拉伸速率拉伸速率（elongation rate）。）。形变速率形变速率图图8-7 简单剪切流场示意图简单剪切流场示意图青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院剪切流场下，流速方向与速度梯度方向垂直；剪切流场下，流速方向与速度梯度方向垂直；拉伸流场中流速方向与速度梯度的方向平行。拉伸流场中流速方向与速度梯度的方向平行。图图8-8 一维单轴拉伸流场（一维单轴拉伸流场（a）和二维双轴拉伸流场（）和二维双轴拉伸流场（b）（a）（b）青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院213 表观剪切黏度表观剪切黏度 图图8-9 高分子熔体流动曲线示意图高分子熔体流动曲线示意图为特性：剪切变稀如何处理？如何处理？青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院2.1.4 第一、第二法向应力差系数第一、第二法向应力差系数、第二法向应力差系数第二法向应力差系数第一法向应力差系数第一法向应力差系数图8-11 第第1、第、第2法向应力差曲线法向应力差曲线N10，且随剪切速率的增加而增大 N2Tg+100 黏流活化能 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学WLF方程方程 适用条件：TgTTg+100 黏流活化能（黏流活化能（flow activation energy）黏流活化能黏流活化能：流动过程中，流动单元（链段）用于克服位垒，由原位置：流动过程中，流动单元（链段）用于克服位垒，由原位置跃迁到附近跃迁到附近“空穴空穴”所需的最小能量。所需的最小能量。特性：特性：1.反映材料黏度随温度变化的敏感性；反映材料黏度随温度变化的敏感性；2.与分子链结构有关，与总分子量关系不大；与分子链结构有关，与总分子量关系不大；3.刚性、极性、或含较大侧基的材料，黏流活化能较高；而柔性较好的线形刚性、极性、或含较大侧基的材料，黏流活化能较高；而柔性较好的线形分子链材料黏流活化能较低。分子链材料黏流活化能较低。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学剪切速率和剪切应力的影响剪切速率和剪切应力的影响剪切变稀剪切变稀，表征材料的黏，表征材料的黏-切依赖性。切依赖性。曲线特征：曲线特征：1）各材料的零剪切黏度高低不同，主）各材料的零剪切黏度高低不同，主要反映平均分子量的差别；要反映平均分子量的差别；2）材料流动性由线性行为转入非线性）材料流动性由线性行为转入非线性行为的临界剪切速率不同；行为的临界剪切速率不同；3）幂律流动区的曲线斜率不同，即流）幂律流动区的曲线斜率不同，即流动指数动指数n不同。不同。图图8-20 几种高分子熔体在几种高分子熔体在200的黏度与剪切速率的关系的黏度与剪切速率的关系-HDPE；-PS；-PMMA；-LDPE；-PP School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学312 分子结构参数的影响分子结构参数的影响平均分子量的影响平均分子量的影响 Me 临界缠结分子量临界缠结分子量Fox-Flory公式公式图图8-21 黏度与分子量黏度与分子量M的关系的关系青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院规律：规律：1.当分布加宽时，物料的黏流温度当分布加宽时，物料的黏流温度Tf下降，流动性及加工行为有所改善；下降，流动性及加工行为有所改善；2.分子量分布宽的试样，非牛顿流变性较为显著。分子量分布宽的试样，非牛顿流变性较为显著。在低剪切速率下，宽分布试样的黏度，包括零剪切黏度往往较高；在低剪切速率下，宽分布试样的黏度，包括零剪切黏度往往较高；随剪切速率增大，宽分布试样黏随剪切速率增大，宽分布试样黏-切敏感性较大；切敏感性较大；高剪切速率范围内，宽分布试样的黏度可能反而更低。高剪切速率范围内，宽分布试样的黏度可能反而更低。分子量分布的影响分子量分布的影响支化结构的影响支化结构的影响 图图8-23 支化与线形高分子材料的黏度支化与线形高分子材料的黏度短支化：降低黏度短支化：降低黏度长支化：影响巨大且复杂长支化：影响巨大且复杂313 配合剂的影响配合剂的影响青岛科技大学青岛科技大学填充补强剂填充补强剂：炭黑、短纤维等增强（补强）材料，或各种无机材料：炭黑、短纤维等增强（补强）材料，或各种无机材料软化增塑剂软化增塑剂：各种矿物油、低聚物等各种矿物油、低聚物等 1）炭黑的影响）炭黑的影响主要作用为：主要作用为：）增黏效应，使体系黏度升高；）增黏效应，使体系黏度升高；）使非牛顿流动性减弱，流动指数）使非牛顿流动性减弱，流动指数n值升高。值升高。2）碳酸钙的影响）碳酸钙的影响主要影响：主要影响：）增多体系内部的微空隙，使材料内部应力集中点增加，加速破坏；）增多体系内部的微空隙，使材料内部应力集中点增加，加速破坏；）使体系黏度增大，弹性下降，加工困难，设备磨损加快。）使体系黏度增大，弹性下降，加工困难，设备磨损加快。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院3 3）软化增塑剂的影响）软化增塑剂的影响 主要作用：主要作用：）增大分子链之间的间距，屏蔽大分子中极性基团，减少分子链间相互）增大分子链之间的间距，屏蔽大分子中极性基团，减少分子链间相互作用力。作用力。）低分子量的软化）低分子量的软化增塑剂可使发生高分子发生缠结的临界分子量提高，增塑剂可使发生高分子发生缠结的临界分子量提高，缠结点密度下降，体系的非牛顿性减弱。缠结点密度下降，体系的非牛顿性减弱。青岛科技大学青岛科技大学32 高分子液体弹性效应的描述高分子液体弹性效应的描述321 可恢复形变可恢复形变SR黏弹性流体形变及形变回复示意图黏弹性流体形变及形变回复示意图 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学322 挤出胀大比及口模入口、出口压力降挤出胀大比及口模入口、出口压力降图图8-27 挤出胀大现象的说明挤出胀大现象的说明挤出流场中分子链构象发生显著改变的位置：挤出流场中分子链构象发生显著改变的位置：1）口模入口区）口模入口区 2）口模内部模壁附近）口模内部模壁附近挤挤出出胀胀大比大比B School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 青岛科技大学青岛科技大学 入口压力降入口压力降主要由熔体经历弹性形变、储存弹性能引起，可描述熔体弹性高低。主要由熔体经历弹性形变、储存弹性能引起，可描述熔体弹性高低。出口压力降出口压力降表征熔体剩余弹性形变的大小。表征熔体剩余弹性形变的大小。入口压力降入口压力降 与与 出口压力降出口压力降（a）口模直径）口模直径1mm，表观剪切速率，表观剪切速率=174s-1 （b）口模直径）口模直径1mm，T180图图8-28 聚烯烃弹性体聚烯烃弹性体POE的挤出胀大比（的挤出胀大比（a）和入口压力降（）和入口压力降（b）School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 法向应力差效应是黏弹性流体的典型弹性效应。法向应力差效应是黏弹性流体的典型弹性效应。青岛科技大学青岛科技大学323 法向应力差描述熔体弹性法向应力差描述熔体弹性图图8-29 聚乙烯样品的第一法向应力差聚乙烯样品的第一法向应力差随剪切应力的变化随剪切应力的变化HDPE2.20105 HDPE1.68105 16 84LDPE 4.00105 20 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学第四章第四章 剪切黏度的测量方法剪切黏度的测量方法41 毛细管流变仪测量表观剪切黏度毛细管流变仪测量表观剪切黏度411 毛细管流变仪的基本构造毛细管流变仪的基本构造图图8-31 毛细管及压力传感器的安排毛细管及压力传感器的安排恒速型（测压力）恒速型（测压力）恒压力型（测流速）恒压力型（测流速）操作简单，测量范围宽操作简单，测量范围宽 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学412 毛细管内的流场分析毛细管内的流场分析图图8-32 熔体在毛细管内的流动分析熔体在毛细管内的流动分析1）剪切应力的计算）剪切应力的计算受力平衡分析：受力平衡分析：毛细管壁处的最大剪切应力毛细管壁处的最大剪切应力：剪切应力计算无需假设流体类型剪切应力计算无需假设流体类型 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学2）剪切速率和黏度的计算，）剪切速率和黏度的计算，Rabinowich-Mooney公式公式牛顿流体牛顿流体，其本构方程为：，其本构方程为：剪切速率的测量和计算与流过毛细管的物料种类有关。剪切速率的测量和计算与流过毛细管的物料种类有关。利用应力计算公式，则有：利用应力计算公式，则有：积分得：积分得：根据上式的速度分布，积分求得物料流经毛细管的体积流量根据上式的速度分布，积分求得物料流经毛细管的体积流量Q School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院非牛顿流体非牛顿流体，按照，按照Rabinowich-Mooney修正公式修正公式计算其在管壁处的剪切速率：计算其在管壁处的剪切速率：对于对于符合幂律方程的高分子熔体符合幂律方程的高分子熔体，公式简化为：，公式简化为：青岛科技大学青岛科技大学式中，式中，n为非牛顿指数为非牛顿指数。对照最大应力计算公式，可知：对照最大应力计算公式，可知：School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院 青岛科技大学青岛科技大学3）入口压力校正，）入口压力校正，Bagley修正修正入口压力降和出口压力降都对剪入口压力降和出口压力降都对剪切应力计算产生影响，但入口压切应力计算产生影响，但入口压力降的影响更为显著，需进行力降的影响更为显著，需进行Bagley校正。校正。图图8-33 料筒与毛细管中物料内部压力分布示意图料筒与毛细管中物料内部压力分布示意图实测压力降包含三部分：实测压力降包含三部分：School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院Bagley校正原理校正原理中心思想中心思想：保持毛：保持毛细细管上真管上真实实的的压压力梯度力梯度不变，将毛细管虚拟地延不变，将毛细管虚拟地延长，使入口压力降以相同的梯度降在虚拟延长的长度上。长，使入口压力降以相同的梯度降在虚拟延长的长度上。图图8-34 实验确定实验确定Bagley修正因子示意图修正因子示意图设毛细管虚拟延长长度为LB，记为：真实压力梯度应为：剪切应力计算公式修正为：School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学42 恒速型双毛细管流变仪简介恒速型双毛细管流变仪简介构造和使用特点：构造和使用特点：1.两个相同的料筒，下端分别安两个相同的料筒，下端分别安装压力传感器。装压力传感器。2.两个料筒下方分别安装普通毛细两个料筒下方分别安装普通毛细管和零长毛细管。管和零长毛细管。两毛细管的两毛细管的入口区形状相同。入口区形状相同。3.测量时，两料筒中的柱塞同时以测量时，两料筒中的柱塞同时以等速推进，将熔体分别挤出两等速推进，将熔体分别挤出两根毛细管。两压力传感器分别根毛细管。两压力传感器分别测量挤出时的压力变化。测量挤出时的压力变化。4.可直接测量入口压力降。可直接测量入口压力降。图图8-35 双毛细管流变仪结构示意图双毛细管流变仪结构示意图 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学43 锥板型转子流变仪简介锥板型转子流变仪简介431 锥锥-板型流变仪测量表观剪切黏度板型流变仪测量表观剪切黏度图图8-36 锥锥-板流变仪结构示意图和球坐标系板流变仪结构示意图和球坐标系 锥锥-板流变仪的优点：板流变仪的优点：1.测量剪切黏度方法简便，数据处理时无需作任何校正。测量剪切黏度方法简便，数据处理时无需作任何校正。2.计算方法不涉及流体种类。计算方法不涉及流体种类。3.锥体旋转速度可以控制到很慢，较容易测出零剪切黏度。锥体旋转速度可以控制到很慢，较容易测出零剪切黏度。4.经过改装，能直接测量法向应力差函数和液体的动态黏弹性。经过改装，能直接测量法向应力差函数和液体的动态黏弹性。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学432 锥锥-板型流变仪测量液体的动态黏弹性板型流变仪测量液体的动态黏弹性1）高分子液体的动态黏弹性）高分子液体的动态黏弹性设高分子液体为线性体，交变应力、应变的振幅为小振幅。对高分子液设高分子液体为线性体，交变应力、应变的振幅为小振幅。对高分子液体施以正弦变化的体施以正弦变化的剪切应变剪切应变：应力响应为：应力响应为：复数复数剪切速率剪切速率为：为：School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学定义高分子液体定义高分子液体复数剪切模量复数剪切模量为：为：其中其中 贮能剪切模量贮能剪切模量损耗剪切模量损耗剪切模量损耗正切损耗正切 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院定义复数剪切黏度为定义复数剪切黏度为 动态黏度动态黏度其中其中 2）锥）锥-板型流变仪测量液体的动态黏弹性板型流变仪测量液体的动态黏弹性图图8-38 HDPE DMDJ 4309的流变曲线（的流变曲线（200）图图8-39 PS STYRON 686的流变曲线（的流变曲线（200）School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学44 落球式黏度计的测量原理落球式黏度计的测量原理图图8-40 落球式黏度计示意图落球式黏度计示意图1-小球，小球，2-测黏度管，测黏度管，3-加热器，加热器，4-外套外套小球下落时受到三个力作用：小球下落时受到三个力作用：重力重力 浮力浮力 Stokes黏性阻力黏性阻力 三力平衡时：三力平衡时：可得，可得，School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院51 挤出过程中的畸变和熔体破裂行为511 两类畸变和熔体破裂现象两类畸变和熔体破裂现象 表面有规畸变表面有规畸变，指畸变仅发生在挤出物表面，挤出物整体仍保持平直，畸变呈，指畸变仅发生在挤出物表面，挤出物整体仍保持平直，畸变呈现某种规律性特征。现某种规律性特征。整体无规畸变整体无规畸变，指挤出物不再保持平直，整体发生扭曲畸变，几乎无规律性，指挤出物不再保持平直，整体发生扭曲畸变，几乎无规律性，严重的甚至发生整体粉碎性破裂，称熔体破裂。严重的甚至发生整体粉碎性破裂，称熔体破裂。线形聚合物：线形聚合物：光滑表面光滑表面表面有规畸变表面有规畸变整体无规畸变整体无规畸变支化分子链聚合物：光滑表面支化分子链聚合物：光滑表面整体扭曲畸变整体扭曲畸变整体无规畸变整体无规畸变挤出畸变的分类挤出畸变的分类畸变的演化顺序畸变的演化顺序第五章第五章 高分子熔体流动不稳定性高分子熔体流动不稳定性青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院图图8-41 LDPE熔体挤出物表观随挤出速率的演变，熔体挤出物表观随挤出速率的演变，150青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院（a）LLDPE-7047（b）LDPE-2100TN00图图8-42 LLDPE-7047（190）和）和LDPE-2100TN00（170C）的流）的流动动曲曲线线区别：区别：1.线形聚合物熔体（线形聚合物熔体（a）发生表面黏）发生表面黏-滑畸变时，流动曲线经常出滑畸变时，流动曲线经常出现不连续突变（曲线断裂和斜率突变）现不连续突变（曲线断裂和斜率突变）2.支化聚合物熔体（支化聚合物熔体（b）发生整体扭曲畸变和熔体破裂时，流动曲）发生整体扭曲畸变和熔体破裂时，流动曲线始终保持连续，斜率无突变。线始终保持连续，斜率无突变。School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学（a）LLDPE-7047（190）（b）LDPE-2100TN00（170）图图8-43 挤出压力随挤出速率发展曲线挤出压力随挤出速率发展曲线区别：区别：1.线形聚合物熔体（线形聚合物熔体（a）在超过特定剪切速率后，入口压力降平稳但总）在超过特定剪切速率后，入口压力降平稳但总挤出压力发生振荡。挤出压力发生振荡。（不稳定区（不稳定区-口模内）口模内）2.支化聚合物熔体（支化聚合物熔体（b）在超过特定剪切速率后，入口压力降振荡，但总）在超过特定剪切速率后，入口压力降振荡，但总挤出压力随挤出速率平稳发展。挤出压力随挤出速率平稳发展。（不稳定区（不稳定区-入口区）入口区）青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院1）挤出流场中扰动源位置的分析）挤出流场中扰动源位置的分析扰动扰动（disturbance）的）的发发生可生可归结为归结为在高速在高速挤挤出出时时流流场场中某个位置出中某个位置出现过现过度的流度的流动应动应力集中效力集中效应应，引起流，引起流动动失失稳稳和和弹弹性湍流。性湍流。对对于于挤挤出出过过程，主要指口模入口程，主要指口模入口处处、口、口模壁（界面）模壁（界面）处处和口模出口和口模出口处处。图图8-44 挤出流场内流动应力集中的位置示意图挤出流场内流动应力集中的位置示意图512 挤出畸变和熔体破裂机理简要分析挤出畸变和熔体破裂机理简要分析青岛科技大学青岛科技大学 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院流动应力集中效应也反映在流动压力降的分布上。流动应力集中效应也反映在流动压力降的分布上。定义定义入口压力降占总压力降的比例为入口压力降占总压力降的比例为：=Pent/（Pent+Pcap）表表8-7 LDPE、LLDPE及共混物在不同流量下入口及共混物在不同流量下入口压压力与力与总压总压力的比力的比值值（190）表观剪切速率/s11201732463535027201027146821003000LDPE15.1%1515.2%15.3%15.5%15.9%15.9%LLDPE3.9%4.2%4.7%5.1%5.5%6.1%7.7%10.3%11.3%11.7%青岛科技大学青岛科技大学2）口模入口区的流动失稳强拉伸造成流场紊乱）口模入口区的流动失稳强拉伸造成流场紊乱图图8-45 口模入口处的扰动引起熔体破裂示意图口模入口处的扰动引起熔体破裂示意图 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学3）口模壁处的流动失稳）口模壁处的流动失稳吸附与解吸附，缠结与解缠结吸附与解吸附，缠结与解缠结（a）弱缠结，强吸附；）弱缠结，强吸附；Cohesive滑移滑移 （b）强缠结，弱吸附；）强缠结，弱吸附；Adhesive滑移滑移图图8-46 口模壁附近发生熔体滑动的两种情形口模壁附近发生熔体滑动的两种情形 School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学513 减轻畸变，提高熔体稳定挤出速率的对策减轻畸变，提高熔体稳定挤出速率的对策1）调节口模温度场）调节口模温度场 由于挤出畸变和熔体破裂是高分子液体弹性湍流行为的表现，因此由于挤出畸变和熔体破裂是高分子液体弹性湍流行为的表现，因此通过升高温度降低熔体黏弹性是改善流动不稳定性的通过升高温度降低熔体黏弹性是改善流动不稳定性的首选方法首选方法。精确控。精确控温对改善鲨鱼皮畸变尤为有效。温对改善鲨鱼皮畸变尤为有效。2）改造口模形状及界面状态）改造口模形状及界面状态 由于流场扰动源多位于流道尺寸急剧变化处和界面上，因此口模形由于流场扰动源多位于流道尺寸急剧变化处和界面上，因此口模形状的改变及界面状态变化对熔体流动稳定性有状的改变及界面状态变化对熔体流动稳定性有重要影响重要影响。3）特种填加剂）特种填加剂（如润滑剂、加工助剂、特种填料）（如润滑剂、加工助剂、特种填料）添加特殊加工助剂和特殊填料是改善熔体挤出行为常用的方法。助添加特殊加工助剂和特殊填料是改善熔体挤出行为常用的方法。助剂和填料的种类可根据扰动源的位置和性质，剂和填料的种类可根据扰动源的位置和性质，有的放矢有的放矢地选择。地选择。图图8-49 m-LLDPE/PPA复合料挤出外观随复合料挤出外观随PPA含量的变化（含量的变化（190，表观剪切速率，表观剪切速率720s1）School of Polymer Science&Engineering 高高 分分 子子 科科 学学 与与 工工 程程 学学 院院青岛科技大学青岛科技大学52 纺丝成型过程中的拉伸共振现象纺丝成型过程中的拉伸共振现象521 拉伸共振现象及其机理拉伸共振现象及其机理拉伸共振现象拉伸共振现象 定义：定义：在熔体纺丝或平膜挤出过程中，当拉伸比超过某一临界拉伸在熔体纺丝或平膜挤出过程中，当拉伸比超过某一临界拉伸比值时，熔体丝条直径（或平膜宽度）发生准周期性变化的现象。比值时，熔体丝条直径（或平膜宽度）发生准周期性变化的现象。（a）（b）拉伸比（上）拉伸比（上）23.2；（下）；（下）83.5图图8-50 熔体纺丝过程示意图（熔体纺丝过程示意图（a）及聚丙烯熔体丝条的约化直径随时间的波动（）及聚丙烯熔体丝条的约化直径随时间的波动（b）School of Polymer