高分子熔體的彈性之熔體破裂現(xiàn)象

01『什么是熔體破裂？』聚合物熔體擠出時，當(dāng)擠出速率(或應(yīng)力)過高，超過某一臨界剪切速率(或臨界剪切應(yīng)力)，就可能出現(xiàn)彈性湍流，導(dǎo)致熔體流動不穩(wěn)定，擠出物表面粗糙。隨著擠出速率的增大，可能先后出現(xiàn)波浪形、鯊魚皮形、竹節(jié)形、螺旋形畸變，最后導(dǎo)致完全無規(guī)則的擠出物斷裂，稱之為熔體破裂[1]。02『為什么會發(fā)生熔體破裂？』發(fā)生的原因是材料流入?？跁r速度過大，不能形成平行線流，或者熔體黏度過高，內(nèi)應(yīng)力松弛時間要求過長，這些使熔體各點(diǎn)所表現(xiàn)的彈性應(yīng)變不一樣，從而使擠出物在彈性恢復(fù)過程中出現(xiàn)畸變或斷裂現(xiàn)象。此外．在流入口模的角度不適當(dāng)或口模流路有死角也可發(fā)生該現(xiàn)象。上圖測試結(jié)果：剪切速率大于800s-1時開始出現(xiàn)熔體破裂剪切速率在800s-1~2000s-1之間，出現(xiàn)規(guī)則性破裂剪切速率＞2000s-1出現(xiàn)不規(guī)則的破裂1滑移機(jī)理在一定的加工條件下，口模中流動的聚合物熔體在宏觀上會發(fā)生與靜止的口模壁面的相對移動，這種熔體相對壁面移動的現(xiàn)象稱為滑移現(xiàn)象?；茣﹄x開口模的擠出物造成不良影響，并且滑移的出現(xiàn)會擾亂熔體自身的流動，出現(xiàn)不穩(wěn)定的流動，嚴(yán)重的不穩(wěn)定流動動會造成熔體破裂。纏結(jié)-解纏結(jié)機(jī)理纏結(jié)－解纏結(jié)理論提出了薄層說法，如圖1［2］所示，認(rèn)為聚合物是大分子化學(xué)物質(zhì)，其內(nèi)部大分子之間是相互纏結(jié)的，纏結(jié)形態(tài)以相對穩(wěn)定的分子鏈薄層存在，當(dāng)分子鏈薄層承受較低的剪切時，不會發(fā)生解纏結(jié)，不會出現(xiàn)滑移;反之，當(dāng)分子鏈薄層承受過強(qiáng)的剪切時，穩(wěn)定的分子纏結(jié)遭到破壞，導(dǎo)致熔體發(fā)生滑移。吸附-解吸附理論吸附－解吸附理論則強(qiáng)調(diào)熔體與口模內(nèi)壁間的黏附力和熔體自身流動產(chǎn)生的應(yīng)力之間的關(guān)系，如圖2［2］所示，當(dāng)剪切速率較低時，熔體之間的應(yīng)力小于熔體與口模內(nèi)壁的黏附力，黏附力的作用會讓熔體粘在壁面上;當(dāng)剪切速率進(jìn)一步增大，熔體之間的應(yīng)力大于熔體與口模內(nèi)壁的黏附力，熔體就會脫離口模內(nèi)壁發(fā)生解吸附而開始滑移。2破裂機(jī)理破裂機(jī)理從應(yīng)力的角度出發(fā)，認(rèn)為熔體所受應(yīng)力大于熔體自身的強(qiáng)度或者聚合物分子間作用力時，導(dǎo)致熔體破裂。在研究聚合物鯊魚皮破裂缺陷時提出鯊魚皮破裂缺陷與聚合物熔體強(qiáng)度有關(guān)。認(rèn)為破裂發(fā)生在口模處，在聚合物熔體受到擠出機(jī)內(nèi)壓力向外擠出時，原本黏附在口模壁上的熔體需要在壓力作用下向前加速擠出，由突然的加速產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，若熔體自身的強(qiáng)度大于這個拖拽應(yīng)力，熔體不會發(fā)生破裂，否則，熔體就會破裂。3真空孔穴機(jī)理在做PDMS擠出實(shí)驗(yàn)時同樣產(chǎn)生了熔體破裂，針對熔體破裂的原因，他提出了一種新的見解。在高壓下擠出非彈性流體，應(yīng)用有限元技術(shù)對實(shí)驗(yàn)流動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在臨近口模出口的位置出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓，負(fù)壓的存在使得聚合物熔體在于壁面接觸處產(chǎn)生孔穴，在熔體內(nèi)聚力的推動下，孔穴有向外擴(kuò)散的趨勢，擴(kuò)散過程中，孔穴之間又會有互相擠壓與合并，這個過程造成了熔體的破裂。03『影響熔體破裂的因素及消除熔體破裂的方法』熔體破裂開始形成時的剪切速率稱為臨界剪切速率τc1影響熔體破裂的因素①溫度一般來說，提高擠出溫度能使臨界剪切速率迅速提高，臨界剪切應(yīng)力也略有提高。②聚合物分子量及其分布對于同一粘度而分子量分布不同的聚合物，增加分布寬度能大幅度改善擠出性能分散性增加可降低表觀粘度，同時降低了剪切彈性模量G(表現(xiàn)為出模膨脹增加)，只有當(dāng)η和G達(dá)到適當(dāng)平衡才能獲得最小表觀松弛時間，獲得最佳的擠出條件。③粘度粘度越低，發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率越高。④口模尺寸發(fā)生熔體破裂的臨界剪切應(yīng)力(速率)依賴于直徑D和L/D。對于支化PE型聚合物，同樣的剪切速率下，用短管擠出的熔體破裂比長管擠出嚴(yán)重得多。而對線性PE型聚合物，其鯊魚皮波紋的深度和間距及發(fā)生粘-滑破裂的臨界剪切應(yīng)力(速率)都隨管徑D的增加而增大，其破裂程度隨管長的增加而嚴(yán)重。⑤添加劑在聚合物中加入低分子溶劑時，由于降低了混合物的本體或熔體粘度，臨界剪切速率迅速上升，但臨界剪切應(yīng)力有所下降。一般認(rèn)為，增加填料能降低物料的彈性，因而減輕了擠出破裂，但在線性PE中加入木粉使體系的粘度上升，臨界剪切速率下降很多，擠出更困難。這可能是因?yàn)樘盍系男再|(zhì)與體系的復(fù)合方式不同而異。2消除熔體破裂的方法熔體流動不穩(wěn)定的根本原因是熔體積蓄的彈性能過高，故增加熔體溫度、提高背壓可降低熔體黏度、縮短松弛時間，有助于減少熔體在流動過程中積蓄的彈性能。通過降低黏度可降低經(jīng)過澆口的剪切應(yīng)力，從而降低彈性形變。而且溫度高，鏈段運(yùn)動受到內(nèi)摩擦力小，松弛時