3聚合物液體在管和槽ppt課件

1、第三章第三章 聚合物液體在管和槽中的流動(dòng)聚合物液體在管和槽中的流動(dòng) 聚合物可以采用各種各樣的加工方式，如：聚合物可以采用各種各樣的加工方式，如：注射、擠出、吹塑、模壓或壓延等。注射、擠出、吹塑、模壓或壓延等。 盡管加工與成型設(shè)備種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盡管加工與成型設(shè)備種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但這些設(shè)備的流道，口?；蚰＞叩男螤钊允怯梢坏@些設(shè)備的流道，口?；蚰＞叩男螤钊允怯梢恍┙孛嫘螤詈?jiǎn)單些截面形狀簡(jiǎn)單(如圓形、環(huán)形、狹縫、矩形、梯如圓形、環(huán)形、狹縫、矩形、梯形及橢圓形等形及橢圓形等)的管道所構(gòu)成。的管道所構(gòu)成。圓形與狹縫形管道圓形與狹縫形管道 聚合物流動(dòng)方式的分類(lèi)聚合物流動(dòng)方式的分類(lèi)1. 按外力作用

2、方式分類(lèi)按外力作用方式分類(lèi) 壓力流動(dòng)壓力流動(dòng)聚合物液體在圓形管道聚合物液體在圓形管道中因受壓力作用而產(chǎn)生的流動(dòng)。特點(diǎn)：只受中因受壓力作用而產(chǎn)生的流動(dòng)。特點(diǎn)：只受剪切力，粘度高，穩(wěn)定流動(dòng)，只有壓力降。剪切力，粘度高，穩(wěn)定流動(dòng)，只有壓力降。 收斂流動(dòng)收斂流動(dòng)聚合物在截面尺寸逐漸聚合物在截面尺寸逐漸變小的錐形管道中的流動(dòng)。特點(diǎn)：剪切力和變小的錐形管道中的流動(dòng)。特點(diǎn)：剪切力和拉伸力作用。拉伸力作用。 拖曳流動(dòng)拖曳流動(dòng)如果液體流動(dòng)的管道或如果液體流動(dòng)的管道或口模的一部分能以一定速度和規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，口模的一部分能以一定速度和規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而聚合物隨管道和口模的運(yùn)動(dòng)部分而運(yùn)動(dòng)。而聚合物隨管道和口模的運(yùn)動(dòng)部分

3、而運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：壓力降及流速分布受運(yùn)動(dòng)部分的影響。特點(diǎn)：壓力降及流速分布受運(yùn)動(dòng)部分的影響。2. 按流動(dòng)方向分類(lèi)按流動(dòng)方向分類(lèi) 一維流動(dòng)一維流動(dòng)速度只在一個(gè)方向上速度只在一個(gè)方向上變化，即垂直于流動(dòng)的方向。如圓管、變化，即垂直于流動(dòng)的方向。如圓管、寬平行板狹縫口模、間隙小的環(huán)形口模。寬平行板狹縫口模、間隙小的環(huán)形口模。 二維流動(dòng)二維流動(dòng)管道斷面上各點(diǎn)的流管道斷面上各點(diǎn)的流動(dòng)速度均垂直于流動(dòng)的方向。如矩形口動(dòng)速度均垂直于流動(dòng)的方向。如矩形口模、橢圓形口模。模、橢圓形口模。 三維流動(dòng)三維流動(dòng)在錐形或收縮管道中在錐形或收縮管道中流動(dòng)時(shí)，速度既有沿垂直流動(dòng)方向的運(yùn)流動(dòng)時(shí)，速度既有沿垂直流動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，也有

4、沿流動(dòng)方向的流動(dòng)。如收斂流動(dòng)，也有沿流動(dòng)方向的流動(dòng)。如收斂流動(dòng)。動(dòng)。第一節(jié)第一節(jié) 在簡(jiǎn)單幾何形狀管道在簡(jiǎn)單幾何形狀管道內(nèi)聚合物液體的流動(dòng)內(nèi)聚合物液體的流動(dòng) 聚合物液體的流變行為很復(fù)雜，所受的影響聚合物液體的流變行為很復(fù)雜，所受的影響因素很多：因素很多： 聚合物體積可壓縮聚合物體積可壓縮密度將發(fā)生變化密度將發(fā)生變化Vf的存在）；的存在）； 在高剪切作用下，液體在管壁處會(huì)產(chǎn)生滑在高剪切作用下，液體在管壁處會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)動(dòng)粘度變化；粘度變化； 流道各處溫度不同粘度、密度、流速、體流道各處溫度不同粘度、密度、流速、體積流率等變化）。積流率等變化）。 但大多數(shù)聚合物的粘度很高，雷但大多數(shù)聚合物的粘度很高，雷

5、諾準(zhǔn)數(shù)不大，為簡(jiǎn)化分析計(jì)算過(guò)程，諾準(zhǔn)數(shù)不大，為簡(jiǎn)化分析計(jì)算過(guò)程，進(jìn)行四個(gè)假設(shè)：進(jìn)行四個(gè)假設(shè)： （1液體不可壓縮液體不可壓縮 （2等溫流動(dòng)等溫流動(dòng) （3管壁處無(wú)滑移管壁處無(wú)滑移 （4粘度不隨時(shí)間變化粘度不隨時(shí)間變化 實(shí)踐證明假設(shè)可行，影響不大。實(shí)踐證明假設(shè)可行，影響不大。一、聚合物液體在圓管中的流動(dòng)一、聚合物液體在圓管中的流動(dòng) 具有均勻圓形截面且沿管軸方向具有均勻圓形截面且沿管軸方向半徑均保持恒定的簡(jiǎn)單圓形管道是半徑均保持恒定的簡(jiǎn)單圓形管道是很多加工和成型設(shè)備中最常用的通很多加工和成型設(shè)備中最常用的通道形式。道形式。 如注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道，如注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道，擠出機(jī)機(jī)頭通道或口

6、模以及纖維紡擠出機(jī)機(jī)頭通道或口模以及纖維紡絲的噴絲板孔道等大多采用圓形截絲的噴絲板孔道等大多采用圓形截面。面。 在簡(jiǎn)單圓管中液體通常在壓力作用在簡(jiǎn)單圓管中液體通常在壓力作用下只產(chǎn)生一維剪切流動(dòng)。下只產(chǎn)生一維剪切流動(dòng)。（一牛頓液體在簡(jiǎn)單圓管中的流動(dòng)（一牛頓液體在簡(jiǎn)單圓管中的流動(dòng)液柱單元受力分析：液柱單元受力分析：A向向B流動(dòng)，有壓力降流動(dòng)，有壓力降F1：自：自A向向B流動(dòng)的推力流動(dòng)的推力F2：粘滯作用阻力；：粘滯作用阻力；F3：外側(cè)剪切流動(dòng)阻力：外側(cè)剪切流動(dòng)阻力穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)即：即：整理得：整理得：管中心處管中心處r=0時(shí)，時(shí)，=0管壁處管壁處r=R時(shí)，時(shí)， 即即闡明：剪應(yīng)力在液體中的分布

7、與半徑闡明：剪應(yīng)力在液體中的分布與半徑r成正比。成正比。0321FFFF02)(22dlrPPrPrr)(2dlPrrLPrr2LPRR2RrRr剪應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)力分布剪應(yīng)力分布流速流速v牛頓流體滿(mǎn)足方程牛頓流體滿(mǎn)足方程那么那么drdvLrRPrdrLPdvvrRv4)(2220LPRR2管中心處管中心處r=0時(shí)，時(shí)，管壁處管壁處v=0平均流速平均流速任意處液體流速分布任意處液體流速分布 說(shuō)明牛頓流體在圓形管道中流動(dòng)時(shí)速度分布說(shuō)明牛頓流體在圓形管道中流動(dòng)時(shí)速度分布呈拋物線(xiàn)形呈拋物線(xiàn)形LPRv42020vv )(1 20Rrvvr體積流動(dòng)速率體積流動(dòng)速率Q 液體在管中流動(dòng)時(shí)流速為液體在管中流動(dòng)時(shí)

8、流速為RRLPRrdrrRLPrvdrQ042208)(22剪切速率剪切速率R所以管壁處的剪切速率為：所以管壁處的剪切速率為：任意半徑處的剪切速率為：任意半徑處的剪切速率為：342RQLPR34RQw)(2(20RrRvRrLPRrrLPRQ84（二非牛頓液體在簡(jiǎn)單圓形管（二非牛頓液體在簡(jiǎn)單圓形管中的流動(dòng)中的流動(dòng) 大多數(shù)聚合物液體都是典型的非牛頓液體，仍為層大多數(shù)聚合物液體都是典型的非牛頓液體，仍為層流穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，引入非牛頓指數(shù)流穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，引入非牛頓指數(shù)n，得出經(jīng)驗(yàn)公式。剪應(yīng)，得出經(jīng)驗(yàn)公式。剪應(yīng)力與牛頓液體一樣。力與牛頓液體一樣。 任意半徑處的流速：任意半徑處的流速：)()2)(1(111nnn

9、nnrrRLPnnvLPRR2圓管中心處速度：圓管中心處速度：平均流速：平均流速：體積流動(dòng)速率：體積流動(dòng)速率：任意半徑處的剪切速率：任意半徑處的剪切速率：nLPRnnRv10)2)(1(20)131(RQvnnvnLPRnRnQ13)2)(13(nrRrRvnn10)()(1(圓管中任一半徑處速度與平均速度的關(guān)系：圓管中任一半徑處速度與平均速度的關(guān)系： 根據(jù)上試，取不同的根據(jù)上試，取不同的n值，以值，以vr/v對(duì)對(duì)r/R作圖可作圖可得流速分布曲線(xiàn)。得流速分布曲線(xiàn)。 n=1為牛頓液體，曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)；為牛頓液體，曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)；n1為膨脹性液體，為膨脹性液體，n越大，曲線(xiàn)越接近錐形越大，曲線(xiàn)越接近錐

10、形n1為假塑性液體，為假塑性液體，n越小，曲線(xiàn)越接近柱塞形，越小，曲線(xiàn)越接近柱塞形，這種流動(dòng)稱(chēng)為柱塞流動(dòng)。這種流動(dòng)稱(chēng)為柱塞流動(dòng)。)(1)113(1nnrRrnnvvn值不同時(shí)圓管中流動(dòng)液體的速度分布值不同時(shí)圓管中流動(dòng)液體的速度分布圓形管中的柱塞流動(dòng)速度分布圓形管中的柱塞流動(dòng)速度分布賓漢液體具有更明顯的柱塞流動(dòng)特征賓漢液體具有更明顯的柱塞流動(dòng)特征將其流速分布分為兩部分：中心：rr*，r*， y，剪切流動(dòng)；r=r*， =y，過(guò)度區(qū)柱塞形流動(dòng)柱塞形流動(dòng)a與拋物線(xiàn)形流動(dòng)與拋物線(xiàn)形流動(dòng)b的比較的比較由于柱塞流動(dòng)中液體受到由于柱塞流動(dòng)中液體受到的剪切力作用小，所以混的剪切力作用小，所以混合效果差，制品性能

11、不好，合效果差，制品性能不好，拋物線(xiàn)流動(dòng)中有旋渦的存拋物線(xiàn)流動(dòng)中有旋渦的存在，混合效果好。在，混合效果好。如：如：PVC、PP柱塞流動(dòng)柱塞流動(dòng) PE無(wú)柱塞流動(dòng)，染色無(wú)柱塞流動(dòng)，染色 均勻。均勻。 可看出，非牛頓流體在圓管中的流動(dòng)是穩(wěn)的。可看出，非牛頓流體在圓管中的流動(dòng)是穩(wěn)的。剪應(yīng)力呈線(xiàn)性分布，管壁處剪應(yīng)力和剪切速率最剪應(yīng)力呈線(xiàn)性分布，管壁處剪應(yīng)力和剪切速率最大，中心流速最大。大，中心流速最大。 實(shí)際情況：實(shí)際情況： 管壁處流速不為零。管壁處流速不為零。 緣由：緣由： 1、有滑動(dòng)存在。、有滑動(dòng)存在。 2、加入潤(rùn)滑劑，滑動(dòng)變大。（、加入潤(rùn)滑劑，滑動(dòng)變大。（PVC加入硬加入硬脂酸）脂酸） 3、懸浮液

12、可能分層，管壁粘度較小。、懸浮液可能分層，管壁粘度較小。 4、 分子量分布寬的聚合物，低分子物質(zhì)趨分子量分布寬的聚合物，低分子物質(zhì)趨向管壁。向管壁。圖3-5（三）（三） 圓管中的非等溫流動(dòng)圓管中的非等溫流動(dòng) 等溫流動(dòng)在實(shí)際中有誤差，不等溫的原因有：等溫流動(dòng)在實(shí)際中有誤差，不等溫的原因有： 工藝上人為使其不等溫工藝上人為使其不等溫 聚合物加工常在高溫下進(jìn)行，高溫及剪切熱易引起聚合物加工常在高溫下進(jìn)行，高溫及剪切熱易引起降解。為避免此類(lèi)現(xiàn)象，在每個(gè)區(qū)段加工溫度不同，降解。為避免此類(lèi)現(xiàn)象，在每個(gè)區(qū)段加工溫度不同，如擠出機(jī)。如擠出機(jī)。剪切產(chǎn)生摩擦升溫剪切產(chǎn)生摩擦升溫 剪切力分布呈直線(xiàn)梯度分布，剪切力不

13、同，摩擦熱剪切力分布呈直線(xiàn)梯度分布，剪切力不同，摩擦熱不同，溫度升高。不同，溫度升高。流動(dòng)過(guò)程中有壓力降而冷卻流動(dòng)過(guò)程中有壓力降而冷卻 壓力降低，聚合物體積膨脹而吸熱，聚合物冷卻。壓力降低，聚合物體積膨脹而吸熱，聚合物冷卻。壁面的熱傳導(dǎo)壁面的熱傳導(dǎo)溫度在管子中的分布溫度在管子中的分布Toor半經(jīng)驗(yàn)公式半經(jīng)驗(yàn)公式)(1) 1(2) 13()(1)12(1 22130RrTnnnRrTnnTTTTnnWW圖3-6二、聚合物液體在狹縫通道中的等溫流動(dòng)二、聚合物液體在狹縫通道中的等溫流動(dòng) 所謂狹縫通道是指那些厚度遠(yuǎn)比寬度小所謂狹縫通道是指那些厚度遠(yuǎn)比寬度小得多的通道。最典型的代表是擠出板材或薄得多的通

14、道。最典型的代表是擠出板材或薄片的平直口模。片的平直口模。 當(dāng)圓形環(huán)口的圓周長(zhǎng)比口模間隙當(dāng)圓形環(huán)口的圓周長(zhǎng)比口模間隙(即厚即厚度度)尺寸大得多的情況，亦即構(gòu)成環(huán)形口模的尺寸大得多的情況，亦即構(gòu)成環(huán)形口模的外徑外徑R0與內(nèi)徑只與內(nèi)徑只Ri接近時(shí)，也可以當(dāng)成狹縫接近時(shí)，也可以當(dāng)成狹縫通道來(lái)處理。通道來(lái)處理。 吹塑管形薄膜和擠出大尺寸圓管的口模吹塑管形薄膜和擠出大尺寸圓管的口模屬于這種情況。屬于這種情況。 生產(chǎn)流涎薄膜的口模也是一種狹縫通道。生產(chǎn)流涎薄膜的口模也是一種狹縫通道。平行板狹縫通道中聚合物流體的受力分析平行板狹縫通道中聚合物流體的受力分析距中平面任意距中平面任意h處的剪應(yīng)力為：處的剪應(yīng)力為

15、：液體的流速在壁面為零，在中平面處最大：液體的流速在壁面為零，在中平面處最大：)(LPhhnLPHnnHv10)1( 在距中平面任意位置在距中平面任意位置h處處Z方向的流速為：方向的流速為： 平均流速：平均流速：)(1 )(1(10111nnnnnnnhHhvhHLPnnv0)12(2vnnWHQvh 聚合物液體的容積流率為聚合物液體的容積流率為 液體剪切速率：液體剪切速率： 非牛頓流體在狹縫間進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，其非牛頓流體在狹縫間進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)行為與圓管中的流動(dòng)行為相似。流動(dòng)行為與圓管中的流動(dòng)行為相似。nLPHWHnnWHvnnQ120)()122()121(2nhHhHvnn10)(

16、)(1(在壁面處在壁面處h=H最大最大長(zhǎng)邊：與W平行，一維流動(dòng)邊緣：x,y均變化，二維流動(dòng)三、聚合物的拖曳流動(dòng)和收斂流動(dòng)三、聚合物的拖曳流動(dòng)和收斂流動(dòng) 以上所討論的都是聚合物液體受壓力作用以上所討論的都是聚合物液體受壓力作用在管道中引起的一維流動(dòng)在管道中引起的一維流動(dòng)壓力流動(dòng)。壓力流動(dòng)。 液體在管道中的流速分布、流率、剪應(yīng)力液體在管道中的流速分布、流率、剪應(yīng)力和剪切速率的分布和量值均與管道中的壓力降和剪切速率的分布和量值均與管道中的壓力降有關(guān)。這是一類(lèi)簡(jiǎn)單的流動(dòng)。有關(guān)。這是一類(lèi)簡(jiǎn)單的流動(dòng)。 但聚合物加工過(guò)程中還常常出現(xiàn)一類(lèi)復(fù)雜但聚合物加工過(guò)程中還常常出現(xiàn)一類(lèi)復(fù)雜的流動(dòng)。例如二維或三維的流動(dòng)，同

17、時(shí)流動(dòng)中的流動(dòng)。例如二維或三維的流動(dòng)，同時(shí)流動(dòng)中的液體除受到剪切作用以外還受到拉伸作用。的液體除受到剪切作用以外還受到拉伸作用。如拖曳流動(dòng)和收斂流動(dòng)。如拖曳流動(dòng)和收斂流動(dòng)。（一）（一） 拖曳流動(dòng)拖曳流動(dòng) 聚合物液體的流動(dòng)行為除受壓力因素的影聚合物液體的流動(dòng)行為除受壓力因素的影響外，還要受到管道運(yùn)動(dòng)部分的影響。響外，還要受到管道運(yùn)動(dòng)部分的影響。 這種影響表現(xiàn)在粘滯性很大的聚合物液體這種影響表現(xiàn)在粘滯性很大的聚合物液體能隨管道的運(yùn)動(dòng)部分移動(dòng)，所以稱(chēng)這種流動(dòng)為能隨管道的運(yùn)動(dòng)部分移動(dòng)，所以稱(chēng)這種流動(dòng)為拖曳流動(dòng)。拖曳流動(dòng)。 液體的總流動(dòng)是拖曳流動(dòng)和壓力流動(dòng)的總液體的總流動(dòng)是拖曳流動(dòng)和壓力流動(dòng)的總和。和。

18、 聚合物液體在擠出機(jī)螺桿槽與料筒壁所構(gòu)聚合物液體在擠出機(jī)螺桿槽與料筒壁所構(gòu)成的矩形通道中的流動(dòng)或在擠出線(xiàn)纜包復(fù)物環(huán)成的矩形通道中的流動(dòng)或在擠出線(xiàn)纜包復(fù)物環(huán)形口模中的流動(dòng)就是典型的拖曳流動(dòng)。形口模中的流動(dòng)就是典型的拖曳流動(dòng)。1、擠出線(xiàn)纜包復(fù)物口模的拖曳流動(dòng)、擠出線(xiàn)纜包復(fù)物口模的拖曳流動(dòng) 擠出線(xiàn)纜包復(fù)物時(shí)，口模靜止，線(xiàn)纜芯以一定速度Vz連續(xù)沿Z方向移動(dòng)。 在 X 2 + Y2 = R02 時(shí)，口模壁面的流速VR0 = 0 在在 X 2 + Y2 = Ri2 時(shí)，線(xiàn)纜芯外時(shí)，線(xiàn)纜芯外壁的流動(dòng)速度壁的流動(dòng)速度VRi = Vz 。 在在 X 2 + Y2 = R2 且且 R0RRi 時(shí)，時(shí)，VR = V

19、z (R- R0 ) / ( Ri -R0 ) 由于不存在由于不存在x和和y方向的流動(dòng)，所以方向的流動(dòng)，所以擠出線(xiàn)纜包復(fù)物時(shí)是一維流動(dòng)。擠出線(xiàn)纜包復(fù)物時(shí)是一維流動(dòng)。 2. 液體在擠出機(jī)螺桿槽中的的拖曳流動(dòng)液體在擠出機(jī)螺桿槽中的的拖曳流動(dòng) 流動(dòng)復(fù)雜，流體的流道為高流動(dòng)復(fù)雜，流體的流道為高H寬寬W的螺旋通道。的螺旋通道。 螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)螺槽壁相對(duì)靜止?？煽闯闪贤卜捶铰輻U轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)螺槽壁相對(duì)靜止。可看成料筒反方向旋轉(zhuǎn)，螺桿靜止。向旋轉(zhuǎn)，螺桿靜止。（1料壁沿料壁沿Z方向運(yùn)動(dòng)。方向運(yùn)動(dòng)。 液體的流速在液體的流速在x=0，x=w和和y=0螺桿槽的螺桿槽的三個(gè)壁面為零。三個(gè)壁面為零。 在在y=H處料筒壁

20、面與料筒沿處料筒壁面與料筒沿Z軸方向移軸方向移動(dòng)的速度動(dòng)的速度vz相同。在這種由螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)引起的拖曳相同。在這種由螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)引起的拖曳流動(dòng)中，沿流動(dòng)中，沿y軸的速度分布如圖所示。拖曳流動(dòng)軸的速度分布如圖所示。拖曳流動(dòng)的最大速度在料筒壁上。的最大速度在料筒壁上。 但擠出機(jī)中壓力沿但擠出機(jī)中壓力沿Z軸向機(jī)頭方向是逐漸增軸向機(jī)頭方向是逐漸增加的，因此機(jī)頭處反壓最大，這種壓力將使液體加的，因此機(jī)頭處反壓最大，這種壓力將使液體產(chǎn)生逆流，速度分布為拋物線(xiàn)形。產(chǎn)生逆流，速度分布為拋物線(xiàn)形。 液體的流動(dòng)是這兩種流動(dòng)的迭加。液體的流動(dòng)是這兩種流動(dòng)的迭加。（a壓力流動(dòng)、壓力流動(dòng)、 （b拖曳流動(dòng)和拖曳流動(dòng)和c迭加后的速

21、度分布迭加后的速度分布 q=Q壓壓/Q拖拖 討論討論? 在在x方向上可以形成封閉的環(huán)形流動(dòng)，方向上可以形成封閉的環(huán)形流動(dòng)，這種環(huán)流是螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)螺紋斜棱液體的推這種環(huán)流是螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)螺紋斜棱液體的推擠作用和料筒表面對(duì)液體的拖曳作用共同擠作用和料筒表面對(duì)液體的拖曳作用共同引起的。引起的。 環(huán)流速度分布僅與螺桿的轉(zhuǎn)速和螺紋環(huán)流速度分布僅與螺桿的轉(zhuǎn)速和螺紋的螺旋角有關(guān)，在螺桿根徑處的螺旋角有關(guān)，在螺桿根徑處(y0)流速流速為負(fù)值，而在料筒表面為負(fù)值，而在料筒表面(yH)為正值，在為正值，在螺槽深度為螺槽深度為y2H3處流速為零。處流速為零。 環(huán)形流動(dòng)不影響流率的變化，但對(duì)聚環(huán)形流動(dòng)不影響流率的變化，但對(duì)

22、聚合物的混合、塑化和熱交換有促進(jìn)作用。合物的混合、塑化和熱交換有促進(jìn)作用。螺槽中沿螺槽中沿x方向的環(huán)形流動(dòng)及速度分布方向的環(huán)形流動(dòng)及速度分布 從以上討論中可以看出，螺槽從以上討論中可以看出，螺槽中液體同時(shí)在中液體同時(shí)在z軸和軸和x軸方向進(jìn)行著軸方向進(jìn)行著流動(dòng)，并存在著兩個(gè)速度流動(dòng)，并存在著兩個(gè)速度vz和和vx，液體正是在拖曳流動(dòng)、壓力流動(dòng)和液體正是在拖曳流動(dòng)、壓力流動(dòng)和環(huán)形流動(dòng)的共同作用下流向機(jī)頭。環(huán)形流動(dòng)的共同作用下流向機(jī)頭。 液體的總流速則是液體的總流速則是Vz與與Vx的的迭加。液體在螺槽個(gè)的流動(dòng)已經(jīng)不迭加。液體在螺槽個(gè)的流動(dòng)已經(jīng)不是一維流動(dòng)，而屬于二維和三維流是一維流動(dòng)，而屬于二維和三維

23、流動(dòng)了。動(dòng)了。（二）（二） 收斂流動(dòng)收斂流動(dòng)1. 抑制性收斂流動(dòng)管子變小引起的）抑制性收斂流動(dòng)管子變小引起的） 管徑變小，流線(xiàn)不平行，流體與流線(xiàn)形成一個(gè)錐角，管徑變小，流線(xiàn)不平行，流體與流線(xiàn)形成一個(gè)錐角，錐角的一半叫流線(xiàn)收斂角錐角的一半叫流線(xiàn)收斂角 錐度的好處：錐度的好處：1、速度緩慢變化，、速度緩慢變化，2、克服擾動(dòng)和大、克服擾動(dòng)和大壓力降，壓力降，3、減小功率損耗，、減小功率損耗，4、提高生產(chǎn)能力、提高生產(chǎn)能力 2. 非抑制性收斂流動(dòng)拉伸流動(dòng)）非抑制性收斂流動(dòng)拉伸流動(dòng)） 當(dāng)粘彈性聚合物熔體從任何形式的管道中流出并當(dāng)粘彈性聚合物熔體從任何形式的管道中流出并受外力拉伸時(shí)產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生的收斂流動(dòng)，又

24、稱(chēng)拉伸流動(dòng)。受外力拉伸時(shí)產(chǎn)生時(shí)產(chǎn)生的收斂流動(dòng)，又稱(chēng)拉伸流動(dòng)。 如紡絲過(guò)程中絲條離開(kāi)噴絲板后的拉伸流動(dòng)。如紡絲過(guò)程中絲條離開(kāi)噴絲板后的拉伸流動(dòng)。 3. 分子伸展和取向分子伸展和取向 收斂流動(dòng)或拉伸流動(dòng)中，聚合物液體會(huì)收斂流動(dòng)或拉伸流動(dòng)中，聚合物液體會(huì)產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)變，它表現(xiàn)為柔性分子鏈流產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)變，它表現(xiàn)為柔性分子鏈流動(dòng)中逐漸伸展和取向。伸展與取向的程度與液動(dòng)中逐漸伸展和取向。伸展與取向的程度與液體中的速度梯度和流動(dòng)的收斂角有關(guān)。體中的速度梯度和流動(dòng)的收斂角有關(guān)。 速度梯度速度梯度和收斂角和收斂角 拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)變 大分子伸展速度和取向大分子伸展速度和取向 對(duì)大多數(shù)聚合物，錐形管道的收

25、斂角不應(yīng)對(duì)大多數(shù)聚合物，錐形管道的收斂角不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致大量彈性能的貯存，引起成過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致大量彈性能的貯存，引起成型制品變形和扭曲，甚致引起熔體破裂現(xiàn)象的型制品變形和扭曲，甚致引起熔體破裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以通常都使收斂角出現(xiàn)，所以通常都使收斂角10。 4. 拉伸應(yīng)變與拉伸粘度拉伸應(yīng)變與拉伸粘度 一定時(shí)，流動(dòng)過(guò)程中，拉伸應(yīng)變?cè)黾?，在錐一定時(shí)，流動(dòng)過(guò)程中，拉伸應(yīng)變?cè)黾?，在錐角的最窄端達(dá)到最大值。角的最窄端達(dá)到最大值。 拉伸應(yīng)變拉伸應(yīng)變 拉伸應(yīng)變速率拉伸應(yīng)變速率 拉應(yīng)力拉應(yīng)力 拉伸粘度拉伸粘度)ln(0LLdtdLLdtd1dzdvdtdLLz5. 影響拉伸粘度影響拉伸粘度的因素的因素（1收

26、斂角收斂角 錐：錐： tg=(2a/ )1/2 楔：楔： tg=(3/2) (a/ )1/2（2拉伸應(yīng)變速率拉伸應(yīng)變速率 很低時(shí)，很低時(shí)，為定值為定值 30； 很高時(shí)，不同的聚合物很高時(shí)，不同的聚合物 也不同。也不同。 PE、PP拉伸變稀拉伸變稀 PAN等等不變不變 LDPE PIB PS等等拉力變硬拉力變硬 普通：拉力變硬普通：拉力變硬（3溫度溫度T T升高，升高， 下降下降（ 4壓力壓力P P升高，升高， 也升高也升高（ 5拉伸方式拉伸方式 單軸拉伸單軸拉伸=30； 雙軸拉伸若雙軸拉伸若x= y= ，=60 （牛頓流體）（牛頓流體）第二節(jié)第二節(jié) 聚合物液體流動(dòng)過(guò)程聚合物液體流動(dòng)過(guò)程 的彈性

27、行為的彈性行為 大多數(shù)聚合物在流動(dòng)中除表現(xiàn)出粘性行為大多數(shù)聚合物在流動(dòng)中除表現(xiàn)出粘性行為外，還不同程度地表現(xiàn)出彈性行為。外，還不同程度地表現(xiàn)出彈性行為。 這種彈性對(duì)聚合物加工與成型有很大的影這種彈性對(duì)聚合物加工與成型有很大的影響。響。 聚合物流動(dòng)過(guò)程最常見(jiàn)的彈性行為是端末聚合物流動(dòng)過(guò)程最常見(jiàn)的彈性行為是端末效應(yīng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。效應(yīng)和不穩(wěn)定流動(dòng)。一、端末效應(yīng)一、端末效應(yīng) 管子進(jìn)口端與出口端這種與聚合物液管子進(jìn)口端與出口端這種與聚合物液體彈性行為有緊密聯(lián)系的現(xiàn)象就稱(chēng)為端末效體彈性行為有緊密聯(lián)系的現(xiàn)象就稱(chēng)為端末效應(yīng)，亦可分別稱(chēng)為入口效應(yīng)和?？谂蚧?yīng)。應(yīng)，亦可分別稱(chēng)為入口效應(yīng)和?？谂蚧?yīng)。 流體由大

28、管進(jìn)入小管內(nèi)時(shí)，流動(dòng)不再流體由大管進(jìn)入小管內(nèi)時(shí)，流動(dòng)不再穩(wěn)定，流體中各點(diǎn)速度在大小和方向上都隨穩(wěn)定，流體中各點(diǎn)速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，速度分布成一條直線(xiàn)，流體進(jìn)時(shí)發(fā)生變化，速度分布成一條直線(xiàn)，流體進(jìn)入導(dǎo)管后必須經(jīng)過(guò)一定距離，穩(wěn)定流動(dòng)才能入導(dǎo)管后必須經(jīng)過(guò)一定距離，穩(wěn)定流動(dòng)才能形成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。形成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。 另外，在出口端，假塑性流體先收縮另外，在出口端，假塑性流體先收縮后有出現(xiàn)膨脹，而且膨脹至比導(dǎo)管直徑還大，后有出現(xiàn)膨脹，而且膨脹至比導(dǎo)管直徑還大，這種現(xiàn)象叫模口膨脹效應(yīng)。這種現(xiàn)象叫?？谂蛎浶?yīng)。聚合物液體在管子入口區(qū)域和出口區(qū)域的流動(dòng)聚合物液體在管子入口區(qū)域和出口

29、區(qū)域的流動(dòng) 流體由貯槽或大管進(jìn)入導(dǎo)管時(shí)，流體中各點(diǎn)的速度流體由貯槽或大管進(jìn)入導(dǎo)管時(shí)，流體中各點(diǎn)的速度在大小和方向上隨時(shí)變化，只有在進(jìn)入導(dǎo)管后經(jīng)一段距在大小和方向上隨時(shí)變化，只有在進(jìn)入導(dǎo)管后經(jīng)一段距離穩(wěn)定流動(dòng)才能形成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。用入口區(qū)離穩(wěn)定流動(dòng)才能形成，這種效應(yīng)叫入口效應(yīng)。用入口區(qū)域長(zhǎng)度域長(zhǎng)度Le表示。表示。（一入口效應(yīng)（一入口效應(yīng)1. 入口效應(yīng)區(qū)域長(zhǎng)度入口效應(yīng)區(qū)域長(zhǎng)度Le 用用Le或或Le/D表示產(chǎn)生入口效應(yīng)區(qū)域的范表示產(chǎn)生入口效應(yīng)區(qū)域的范圍圍假塑性流體：假塑性流體： Le = 0.030.05 ReD Re = (DnV2-n)/(gk8n-1) Re2320 滯流滯流 Re10

30、000 湍流湍流 2320 Re 0，出現(xiàn)膨脹，壓力差，出現(xiàn)膨脹，壓力差越大，膨脹比越大。越大，膨脹比越大。 2. 大分子在流動(dòng)過(guò)程中取向大分子在流動(dòng)過(guò)程中取向 Le區(qū)域：分子拉伸取向區(qū)域：分子拉伸取向 Ls區(qū)域：剪切取向區(qū)域：剪切取向 這兩種取向在出口時(shí)要彈性回復(fù)，這兩種取向在出口時(shí)要彈性回復(fù)，Le影響更大。影響更大。（三）（三） 影響端末效應(yīng)的因素影響端末效應(yīng)的因素 Le和和Df/D是關(guān)聯(lián)的，一般來(lái)說(shuō)是關(guān)聯(lián)的，一般來(lái)說(shuō)Le越越大，大， Df/D也越大，影響因素一致。也越大，影響因素一致。 1. 分子量分子量 MnLe或或Df/D 2. 分子量分布分子量分布 分布窄分布窄Le 或或Df/D

31、3. 非牛頓性非牛頓性 n Le或或Df/D 4. 彈性模量彈性模量E或剪切模量或剪切模量 E或或G Le 或或Df/D 5. 溫度溫度 T Le 或或Df/D 6. 剪切速率剪切速率 Le 或或Df/D 7. 管道長(zhǎng)徑比管道長(zhǎng)徑比 L/D Le 或或Df/D 減小端末效應(yīng)的措施減小端末效應(yīng)的措施n提高加工溫度提高加工溫度n適當(dāng)減小剪切應(yīng)力適當(dāng)減小剪切應(yīng)力n增大增大L/Dn對(duì)擠出物加以適當(dāng)牽引對(duì)擠出物加以適當(dāng)牽引二、不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象二、不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象 聚合物熔體在低剪切速率的流動(dòng)條件下，各種因素引聚合物熔體在低剪切速率的流動(dòng)條件下，各種因素引起的小的擾動(dòng)容易受到抑制。起的小的

32、擾動(dòng)容易受到抑制。 定義：聚合物熔體在高剪切速率時(shí)，液體中的擾動(dòng)難以定義：聚合物熔體在高剪切速率時(shí)，液體中的擾動(dòng)難以抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流動(dòng)，引起液流破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為抑制并易發(fā)展成不穩(wěn)定流動(dòng)，引起液流破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“熔體破裂熔體破裂”。 出現(xiàn)出現(xiàn)“熔體破裂時(shí)的應(yīng)力或剪切速率稱(chēng)為臨界應(yīng)力和熔體破裂時(shí)的應(yīng)力或剪切速率稱(chēng)為臨界應(yīng)力和臨界剪切速率。臨界剪切速率。PMMA于于170、不同應(yīng)力下、不同應(yīng)力下發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)擠出物試樣發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)擠出物試樣產(chǎn)生熔體破裂的原因產(chǎn)生熔體破裂的原因1. 管壁上出現(xiàn)滑移和液體中的彈性回復(fù)管壁上出現(xiàn)滑移和液體中的彈性回復(fù)剪切變稀，表觀(guān)粘度最低，產(chǎn)生滑移。剪切

33、變稀，表觀(guān)粘度最低，產(chǎn)生滑移。流動(dòng)中的分級(jí)效應(yīng)使低分子量組分分裂在管壁，流動(dòng)中的分級(jí)效應(yīng)使低分子量組分分裂在管壁，粘度降低，產(chǎn)生滑移。粘度降低，產(chǎn)生滑移?；圃斐闪魉俨煌瑥椥阅芊植疾痪?，在平行滑移造成流速不同，彈性能分布不均，在平行梯度上產(chǎn)生彈力效應(yīng)，當(dāng)彈性應(yīng)力大于粘滯梯度上產(chǎn)生彈力效應(yīng)，當(dāng)彈性應(yīng)力大于粘滯阻力時(shí)平衡破壞，產(chǎn)生彈性回復(fù)。阻力時(shí)平衡破壞，產(chǎn)生彈性回復(fù)。2. 液體剪切歷史的差異液體剪切歷史的差異入口區(qū)域和管內(nèi)受到的剪切力不同，彈性回復(fù)入口區(qū)域和管內(nèi)受到的剪切力不同，彈性回復(fù)不同。不同。入口端的死角存在渦流，使剪切力不同。入口端的死角存在渦流，使剪切力不同。穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)的速

34、度分布穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)的速度分布影響因素影響因素 1. 非牛頓性非牛頓性 非牛頓性強(qiáng)，柱塞流動(dòng)，不易渦流，入口區(qū)非牛頓性強(qiáng)，柱塞流動(dòng)，不易渦流，入口區(qū)域和管內(nèi)受到的剪切作用是主要原因。在較高剪域和管內(nèi)受到的剪切作用是主要原因。在較高剪切下出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，切下出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，rc,如如PP、PVC、HDPE。 非牛頓性差，拋物線(xiàn)流動(dòng)，易渦流。渦流是非牛頓性差，拋物線(xiàn)流動(dòng)，易渦流。渦流是引起不穩(wěn)定流動(dòng)的主要原因。引起不穩(wěn)定流動(dòng)的主要原因。 rc如如LDPE、聚酯。、聚酯。 2. 分子量及其分布分子量及其分布 分子量越大，易纏結(jié)，彈性回復(fù)嚴(yán)重，較低分子量越大，易纏結(jié)，彈性回復(fù)嚴(yán)重，較低的剪切速率

35、就破裂；的剪切速率就破裂； 分子量分布窄，臨界剪切應(yīng)力也降低。分子量分布窄，臨界剪切應(yīng)力也降低。 3. 加工溫度加工溫度T T越高，臨界應(yīng)力和臨界剪切速率越高，臨界應(yīng)力和臨界剪切速率都增大。都增大。 4. 流道幾何形狀流道幾何形狀 越小，臨界剪切速率變大，長(zhǎng)徑比越小，臨界剪切速率變大，長(zhǎng)徑比增大，臨界剪切速率增加。增大，臨界剪切速率增加。 顯然，不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的存在將限顯然，不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象的存在將限制流率的進(jìn)一步提高，所以過(guò)分提高擠制流率的進(jìn)一步提高，所以過(guò)分提高擠出速度會(huì)使制品外觀(guān)和內(nèi)在質(zhì)量受到不出速度會(huì)使制品外觀(guān)和內(nèi)在質(zhì)量受到不良的影響。良的影響。第三節(jié)第三節(jié) 聚合物液體流動(dòng)性測(cè)量方法聚合物液體流動(dòng)性測(cè)量方法 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 將各種聚合物材料置于不同儀器中，測(cè)將各種聚合物材料置于不同儀器中，測(cè)定它們?cè)诓煌瑴囟群蛪毫ο碌募魬?yīng)力、剪切定它們?cè)诓煌瑴囟群蛪毫ο碌募魬?yīng)力、剪切速率和表現(xiàn)剪切粘度之間的關(guān)系。有時(shí)還包速率和表現(xiàn)剪切粘度之間的關(guān)系。有時(shí)還包括拉伸應(yīng)力和拉伸粘度和溫度之間的關(guān)系等括拉伸應(yīng)