高分子成型加工第三章

高分子成型加工第三章第1頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由于大多數(shù)聚合物熔體的粘度很高，服從冪律函數(shù)，在通常情況下為穩(wěn)態(tài)層流的流體，為簡(jiǎn)化分析及計(jì)算過(guò)程，作以下假設(shè)：（1）液體為不可壓縮的；（2）流動(dòng)是等溫過(guò)程；（3）液體在管道壁面不產(chǎn)生滑動(dòng)（即壁面速度等于零）；（4）液體的粘度不隨時(shí)間而變化，并且其它性質(zhì)也不變。實(shí)際上聚合物熔體在管道中的流動(dòng)要復(fù)雜得多。第一節(jié)：流體在簡(jiǎn)單截面管道中的流動(dòng)第2頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、在圓形流道中的流動(dòng)圓形通道在注射模和擠出模中最為常見，又可分為等截面的圓管通道和圓錐形通道。如：注射設(shè)備的噴嘴、澆口或流道、擠出機(jī)的機(jī)頭通道或口模等。第3頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果聚合物熔體在半徑為R的等截面圓管中的流動(dòng)符合上述假設(shè)條件，取距離管中心為r長(zhǎng)為L(zhǎng)的流體圓柱單元當(dāng)其在壓力梯度(ΔP/L)的推動(dòng)下移動(dòng)時(shí)，將受到相鄰液層阻止其移動(dòng)的摩擦力作用，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)層流后，作用在圓柱單元上的推動(dòng)力和阻力必處于平衡狀態(tài)，即：ΔP(πr2)＝τ(2πrL)則：1、牛頓流體在簡(jiǎn)單園管中的流動(dòng)管壁處r＝R則管壁處的剪應(yīng)力：第4頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由此可以看出，任一液層的剪切力(τr)與其到圓管中心軸線的距離(r)和管長(zhǎng)方向上的壓力梯度(ΔP／L)均成正比，在管道中心處(r＝o)的剪切應(yīng)力為零，而在管壁處(r＝R)的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，剪切應(yīng)力在圓管徑上的分布如下圖所示。第5頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在等截面圓形流道中流動(dòng)時(shí)：剪切應(yīng)力和真實(shí)剪切速率關(guān)系：可見：流速υ是隨任意流動(dòng)層的半徑r的增大而減小的，中心流速最大。（1）m為牛頓粘度。第6頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若圓管的半徑為R，管長(zhǎng)為L(zhǎng)，于是任意半徑r處流層所受的剪切應(yīng)力為：p：圓管兩端的壓力降對(duì)于一般流體，在管壁處的流動(dòng)速度為零，即υr=R=0。（2）將（2）式代入（1）式并求積分，得到流體在任意半徑處的流速υr：(3)2、非牛頓流體在簡(jiǎn)單園管中的流動(dòng)大多數(shù)聚合物流體為非牛頓流體，不符合以上的關(guān)系式。但在通常的加工條件下仍為層流，也可推得相應(yīng)的關(guān)系式。第7頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式表示恒壓下流體在圓管截面上各點(diǎn)的流動(dòng)速度，也表現(xiàn)出壓力降與流動(dòng)速度的關(guān)系。圖中四條線分別表示四種不同m值時(shí)流速分布情況。第8頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月同時(shí)，可以求出流體在圓管中的體積流率q為：（4）（3）式代入（4）式并積分得：(5)毛細(xì)管流變儀測(cè)出的聚合物流變曲線圖，是由最大剪切力和相應(yīng)的牛頓剪切速率所作的，因此需要校正。第9頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、在狹縫形流道內(nèi)的流動(dòng)通常將高度(或稱厚度)遠(yuǎn)比寬度或周邊長(zhǎng)度小得多的流道稱作狹縫通道。如用擠出機(jī)擠膜，擠板、擠出薄壁圓管和各種中空異型材的機(jī)頭模孔以及注塑模具的片狀澆口等。常見狹縫通道的截面形狀有平縫形、圓環(huán)形和各種異形等三種。第10頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流體所受剪切應(yīng)力和真實(shí)剪切速率關(guān)系：流速在沿狹縫形截面寬度中心線上各點(diǎn)最大，在上下兩壁處為零。

y：狹縫截面上任意點(diǎn)到中心線的距離。（1）第11頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)平行板狹縫通道的寬度為w，高度為2h，在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一段上存在的壓力差為ΔP＝P—Po，如果壓力梯度(ΔP/L)產(chǎn)生的推動(dòng)力足以克服內(nèi)外摩擦阻力，熔體即可由高壓端向低壓端流動(dòng)。在狹縫高度方向的中平面上、下對(duì)稱地取一寬為W，長(zhǎng)為L(zhǎng)，高為2h的長(zhǎng)方體液柱單元，其在中平面一側(cè)的高為h。液柱單元受到的推動(dòng)力為F1＝2WhΔP，受到上、下兩液層的摩擦阻力為F2＝2WLτh

，τh為與中平面的距離為H的液層的剪切應(yīng)力。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)后，推動(dòng)力和摩擦阻力相等，因而有2WhΔP＝2WLτh

，第12頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月則：在狹縫的上、下壁面處(h＝H)熔體的剪切應(yīng)力為第13頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月則y處與中心層平行的流層所受到的剪切應(yīng)力為：（2）將（2）代回（1），并積分有：（3）第14頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月體積流率：（4）如用一般流動(dòng)曲線來(lái)求解，則同樣需要換算。第15頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、圓環(huán)形狹縫通道中的流動(dòng)由兩個(gè)同心圓筒構(gòu)成環(huán)隙時(shí)，若外筒的內(nèi)半徑R0與內(nèi)筒的外半徑R1很接近，就表明環(huán)隙的周邊長(zhǎng)度遠(yuǎn)比環(huán)隙的厚度大，這樣的環(huán)隙就是圓環(huán)形狹縫通道。圓環(huán)形狹縫展開為平行板狹縫，則這一平行板狹縫的厚度2H＝R0-R1；寬度W＝2πR，面R＝(R0+R1)／2，當(dāng)2πR＞＞R0-R1時(shí)，對(duì)圓環(huán)形狹縫通道中流體的流動(dòng)進(jìn)行近似的分析與計(jì)算。第16頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、異形狹縫通道中的流動(dòng)通常將由平行板和同心圓筒構(gòu)成的平縫和圓形狹縫通道以外的各種截面形狀的狹縫通道，均稱作異形狹縫通道。用擠出機(jī)擠出中空異型材的機(jī)頭模孔是常見的異形狹縫通道。這些異形狹縫均可看作平行板狹縫和圓環(huán)形狹縫的不同方式組合。第17頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、聚合物的拖曳流動(dòng)和收斂流動(dòng)以上的討論都限于聚合物液體因受壓力作用在管道中引起的一維流動(dòng)。這類流動(dòng)稱為壓力流動(dòng)。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有關(guān)。這是一類簡(jiǎn)單的流動(dòng)。但聚合物加工過(guò)程中還常常出現(xiàn)一類負(fù)載的流動(dòng)。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外還受到拉伸作用。拖曳運(yùn)動(dòng)和收斂運(yùn)動(dòng)就是這種復(fù)雜流動(dòng)的例子1.拖曳流動(dòng)拖曳運(yùn)動(dòng)的典型例子是擠出線纜包覆物時(shí)的流動(dòng)。此時(shí)聚合物流體不僅受到擠出壓力的作用，用時(shí)受到金屬線的牽引作用。另外還有擠出機(jī)螺槽中的運(yùn)動(dòng)。第18頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.錐形通道中的收斂流動(dòng)當(dāng)聚合物流體在沿流動(dòng)方向截面尺寸逐漸變小的管道中流動(dòng)時(shí)，流體中各部分質(zhì)點(diǎn)的流線就不能再保持相互平行。在層流條件下當(dāng)聚合物流體從一大直徑管流入一小直徑管時(shí)，大管中各位置上的流體將改變?cè)械牧鲃?dòng)方向，而以一自然角度進(jìn)入小管，這時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的流線將形成一錐角，常稱此錐角的一半為收斂角并以α表示流體以這種方式進(jìn)行的流動(dòng)稱為收斂流動(dòng)。因此，大多數(shù)塑料成型設(shè)備的成型模具都采用具有一定錐度的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)由大截面尺寸的管道向小截面尺寸的管道過(guò)渡，以避免因流道中存在“死角”而起聚合物熱降解，并有利于減少因出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng)而引起的過(guò)大壓力降和流動(dòng)缺陷。第19頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月聚合物流體在錐形管道中流動(dòng)時(shí)：（1）以收斂的方式流動(dòng)時(shí)，在垂直流動(dòng)的方向上和主流動(dòng)方向上都存在速度梯度;（2）垂直流動(dòng)方向上的最大速度在錐形管道的中心，錐形管道壁面處的速度為零；（3）主流動(dòng)方向上的最大速度在錐形管道的最小截面處，而最小速度則在錐形管道截面最大的入口處。（4）流體流過(guò)錐形管道時(shí)除產(chǎn)生剪切流動(dòng)外，還伴隨有拉伸流動(dòng)。（5）剪切和拉仲兩種流動(dòng)成分的相對(duì)大小主要由收斂角決定，一般情況是隨收斂角的減小，主流動(dòng)方向上的速度差減小，拉伸流動(dòng)成分減少而剪切流動(dòng)成分增多，當(dāng)收斂角減小到零時(shí),收斂流動(dòng)就完全轉(zhuǎn)變成純剪切流動(dòng)。第20頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)：聚合物流動(dòng)過(guò)程的彈性行為及流動(dòng)的缺陷由于聚合物在流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)的彈性行為不僅使前面所推出的一些流動(dòng)方程的計(jì)算值與實(shí)際有出入，甚至?xí)诓环€(wěn)定流動(dòng)中出現(xiàn)一系列不正常的流動(dòng)缺陷。1、管壁上的滑移聚合物在導(dǎo)管中流動(dòng)時(shí)，聚合物靠壁處的流速并不為零，而是發(fā)生間斷的流動(dòng)，或稱滑移。原因：剪切速率的徑向不均勻分布(靠管壁附近剪切速率最大)；流動(dòng)中出現(xiàn)分級(jí)效應(yīng)(即相對(duì)分子質(zhì)量低的級(jí)分較多地集中在管壁附近)；管壁附近的彈性形變的不均勻性(管壁處彈性形變大)。滑移的程度不僅與聚合物品種有關(guān)，而且還與采用的潤(rùn)滑劑和管壁的性質(zhì)有關(guān)。第22頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、端末效應(yīng)（入口端與出口端）聚合物流體經(jīng)貯槽或大管進(jìn)入小管時(shí)，在入口端需先經(jīng)一段長(zhǎng)為L(zhǎng)e的不穩(wěn)定流動(dòng)的過(guò)渡區(qū)域，才進(jìn)入穩(wěn)流區(qū)Ls，稱此現(xiàn)象稱為入口效應(yīng)。當(dāng)塑料熔體由導(dǎo)管流出時(shí)，料流的直徑有先收縮后膨脹的現(xiàn)象．稱之為?？谂蚧x模膨脹、Barus效應(yīng)）。在管道進(jìn)口端與出口端與聚合物流體彈性行為有緊密聯(lián)系的現(xiàn)象稱為端末效應(yīng)。亦可分別稱為入口效應(yīng)和?？谂蚧?yīng)。第23頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）入口的壓力降聚合物熔體從大直徑料筒進(jìn)入小直徑口模會(huì)有能量損失，若料筒中某點(diǎn)與口模出口之間總的壓力降為ΔP，則可將其分成三部分：第24頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月口模入口處的壓力降Δpen被認(rèn)為是由以下原因造成的：1.物料從料筒進(jìn)入口模時(shí)由于熔體粘滯流動(dòng)，流線在入口處產(chǎn)生收斂所引起的能量損失；2.在入口處由于聚合物熔體產(chǎn)生彈性變形，因彈性能的貯蓄所造成的能量損失；3.熔體流經(jīng)入口時(shí)，由于剪切速率的劇烈增加所引起的速度的激烈變化，為達(dá)到流速分布所造成的。第25頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在料筒末端轉(zhuǎn)角處，具有次級(jí)環(huán)形流動(dòng)，即渦流。取決于聚合物的品種與入口收斂角α，入口速度越大，α角越大，越容易產(chǎn)生渦流。入口模型：第26頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）入口修正貝格里修正。依據(jù)一定剪切速率下，料筒－毛細(xì)管的總壓力降與毛細(xì)管的長(zhǎng)徑比為線性。3、離模膨脹被擠出的聚合物熔體斷面積遠(yuǎn)比口模斷面積大。這種現(xiàn)象稱為巴拉斯效應(yīng)（BarusEffect），也稱為離模膨脹。離模膨脹依賴于熔體在流動(dòng)期間可恢復(fù)的彈性形變。第27頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三種解釋：（1）取向效應(yīng)聚合物熔體流動(dòng)期間處于高剪切場(chǎng)內(nèi)，其大分子在流動(dòng)方向取向，但在口模處發(fā)生解取向。（2）記憶效應(yīng)當(dāng)聚合物熔體由大直徑的料筒進(jìn)入小直徑的口模時(shí)，產(chǎn)生了彈性形變，而熔體離開口模時(shí)，彈性變形獲得恢復(fù)。（3）正應(yīng)力效應(yīng)由于粘彈性流體的剪切變形，在垂直于剪切方向上引起了正應(yīng)力的作用。第28頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、彈性對(duì)層流的干擾塑料熔體的可逆彈性形變的回復(fù)引起湍流。5、“鯊魚皮”癥（熔體破裂）（1）鯊魚皮癥是發(fā)生在擠出物表面上的一種缺陷．其形貌多種多樣，隨不穩(wěn)定流動(dòng)的程度而異：從表面發(fā)生悶光到垂直于擠出方向上規(guī)則間隔的深紋，這些深紋以人字形、魚鱗狀到鱉魚皮不等，或密或疏。第29頁(yè)，課件共30頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原因：擠壓口模對(duì)擠出物