高分子材料基本加工工艺课件1-1.ppt

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第一章第一章高分子材料加工流变学概论高分子材料加工流变学概论第一节第一节高分子流体的剪切流动高分子流体的剪切流动学习指南学习指南流变学的概念和作用流变学的概念和作用概念：

概念：

流变学是研究材料流动和形变的科学，是流流变学是研究材料流动和形变的科学，是流体力学与固体力学的有机结合体力学与固体力学的有机结合,其重点是研究稳其重点是研究稳态流动随时间变化的形变过程。

态流动随时间变化的形变过程。

作用作用：

高分子材料加工为制品的过程中高分子材料加工为制品的过程中,流变学的流变学的作用则是举足轻重的。

作用则是举足轻重的。

内容：

内容：

高分子材料的剪切流动、拉伸流动、高分子高分子材料的剪切流动、拉伸流动、高分子流体的黏度与弹性的基本概念；介绍橡胶的弹性流体的黏度与弹性的基本概念；介绍橡胶的弹性和高分子熔体在简单截面导管中的流动过程中的和高分子熔体在简单截面导管中的流动过程中的流变方程流变方程;高分子材料加工中的聚集态变；成型设高分子材料加工中的聚集态变；成型设备中流道的流变学计算。

备中流道的流变学计算。

高分子流体（即液体）的概念高分子流体（即液体）的概念和流动形式和流动形式高分子液体的分类：

高分子液体的分类：

高分子熔体和高分子溶液高分子熔体和高分子溶液高分子液体的流动形式：

高分子液体的流动形式：

剪切流动剪切流动拉伸流动拉伸流动拖曵流动拖曵流动收敛流动收敛流动高分子材料加工中所受到的应力高分子材料加工中所受到的应力剪切应力剪切应力拉伸应力拉伸应力压缩应力压缩应力以剪切应力为主以剪切应力为主一、一、牛顿液体的流动牛顿液体的流动

（一）无时间依赖性系统

（一）无时间依赖性系统1牛顿黏性定律牛顿黏性定律黏性：

流体在运动状态下，流体存在着一种黏性：

流体在运动状态下，流体存在着一种抗拒内在的向前运动的特性抗拒内在的向前运动的特性。

圆管内液体流动分析：

圆管内液体流动分析：

液体在圆管内流动时的速度分布液体在圆管内流动时的速度分布流体在管内任一截面上径向上各点的速流体在管内任一截面上径向上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处的质点附于管壁上，其速速度愈小，在管壁处的质点附于管壁上，其速度为零。

所以，流体在圆管内流动时，实际上度为零。

所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层。

一层套着一层，是被分割成无数极薄的圆筒层。

一层套着一层，各层以不同的速度向前运动。

见图各层以不同的速度向前运动。

见图1-1。

液体流动时的内摩擦力液体流动时的内摩擦力运动着的流体内部相邻两流体层的相互运动着的流体内部相邻两流体层的相互作用力，称为流体的内摩擦力。

作用力，称为流体的内摩擦力。

这种内摩擦阻力就表现为流体黏性，又称这种内摩擦阻力就表现为流体黏性，又称为黏滞力或黏性摩擦力。

为黏滞力或黏性摩擦力。

流体流动时的内摩擦，是流动阻力产生流体流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而散失掉。

从而流体的一部分机械能转变为热而散失掉。

平板间液体流动速度分析平板间液体流动速度分析设有上下两块平行放置且面积很大而相设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满了某种液体。

若将下距很近的平板，板间充满了某种液体。

若将下板固定，对上板施加一个恒定的外力板固定，对上板施加一个恒定的外力F，上板上板就以恒定的速度就以恒定的速度v沿沿x方向运动。

此时，两板间方向运动。

此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，黏附的液体就会分成无数平行的薄层而运动，黏附在上板底面的一薄层液体也以速度在上板底面的一薄层液体也以速度v随上板运随上板运动，其下层液体的速度依次降低，黏附在下板动，其下层液体的速度依次降低，黏附在下板表面的液层速度为零。

表面的液层速度为零。

图1-2式式1-4的导出的导出=dv/dy（1-4）式中式中dv/dy速速度度梯梯度度，即即在在与与流流动动方方向向相相垂直的垂直的y方向上流体速度的变化率；方向上流体速度的变化率；比例系数，其值随流体的不同而异，比例系数，其值随流体的不同而异，流体的黏性越大，其值越大，以称为黏滞系数流体的黏性越大，其值越大，以称为黏滞系数或动力黏度，简称为黏度。

式或动力黏度，简称为黏度。

式（1-3）或式或式（1-4）所显示的关系，称为牛顿黏性定律。

所显示的关系，称为牛顿黏性定律。

非牛顿液体的流动曲线非牛顿液体的流动曲线2流体的黏度流体的黏度=/（dv/dy）（1-5）由式（由式（1-5）可知，管壁处的速度梯度最）可知，管壁处的速度梯度最大，剪切应力也最大；管中心速度梯度为零，大，剪切应力也最大；管中心速度梯度为零，剪切应力为零。

剪切应力为零。

黏度的物理意义是促使流体流动产生单黏度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

黏度总是与速度梯度位速度梯度的剪应力。

黏度总是与速度梯度相联系，只有流体在流动时才显现出来。

相联系，只有流体在流动时才显现出来。

牛顿黏度牛顿黏度=/牛顿黏度（全称为牛顿黏度（全称为“牛顿型流体的黏度牛顿型流体的黏度”的黏度）定义为剪切应力与剪切速率（速度的黏度）定义为剪切应力与剪切速率（速度梯度）之比，或称之为产生单位剪切速率（速梯度）之比，或称之为产生单位剪切速率（速度梯度）所必须的剪切应力值。

度梯度）所必须的剪切应力值。

它表征液体流动时流层之间的摩擦阻力，它表征液体流动时流层之间的摩擦阻力，仅与液体本性和温度有关，并不随剪切应力和仅与液体本性和温度有关，并不随剪切应力和剪切速率而变。

大多数低分子物的流体可看作剪切速率而变。

大多数低分子物的流体可看作为牛顿型流体。

为牛顿型流体。

黏度值测定：

由测试课程介绍。

测定：

由测试课程介绍。

计算：

气体混合物黏度的计算计算：

气体混合物黏度的计算式式1-6；液体混合物黏度的计算液体混合物黏度的计算式式1-7。

黏度的单位常用：

黏度的单位常用：

用用“Pas”表示。

表示。

二、柏努利方程及其应用二、柏努利方程及其应用理想流体的概念：

理想流体的概念：

该流体在流动时没有摩擦损失，即内摩该流体在流动时没有摩擦损失，即内摩擦力为零，故理想流体的黏度为零。

擦力为零，故理想流体的黏度为零。

理想流体的应用：

理想流体的应用：

影响高分子流体黏度的因素较多，给研影响高分子流体黏度的因素较多，给研究实际流体的运动规律带来很大的困难。

因此，究实际流体的运动规律带来很大的困难。

因此，为了简化问题，先按理想流体来考虑，再找出为了简化问题，先按理想流体来考虑，再找出规律后再加以修正，再应用于实际流体。

在某规律后再加以修正，再应用于实际流体。

在某些场合下，实际流体就可按理想流体来处理，些场合下，实际流体就可按理想流体来处理，所以，引进理想流体的概念，对解决工程实际所以，引进理想流体的概念，对解决工程实际问题具有重要意义。

问题具有重要意义。

能量平衡系统图图1-4的物理意义的物理意义在在图图1-4所所示示的的稳稳定定流流动动系系统统中中，流流体体从从截截面面1-1流流入入，经经粗粗细细不不同同的的管管道道，从从截截面面2-2流流出出。

管管路路上上装装有有对对流流体体作作功功的的泵泵2及及向向流流体体输输入或从流体取出热量的换热器入或从流体取出热量的换热器1。

衡算范围：

内壁面、衡算范围：

内壁面、1-1与与2-2截面间。

截面间。

衡算基准：

衡算基准：

1kg流体。

基准水平面：

流体。

基准水平面：

0-0平面。

平面。

令令v1、v2流体分别在截面流体分别在截面1-1与与2-2处的流处的流量，量，m/s；p1、p2流体分别在截面流体分别在截面1-1与与2-2处的压强，处的压强，Pa；Z1、Z2截面截面1-1与与2-2的中心至基准水平面的中心至基准水平面0-0的垂直距离，的垂直距离，m；A1、A2截面截面1-1与与2-2的面积，的面积，m2；1、2流体分别在截面流体分别在截面1-1与与2-2处的比容，处的比容，m3/kg。

2柏努利方程的应用柏努利方程的应用在在高高分分子子材材料料的的加加工工中中，柏柏努努利利方方程程的的应应用用有有如如下下几几个个方方面面：

测测算算贮贮槽槽内内液液体体助助剂剂的的液液位，液体压力的计算，液体流量的测算。

位，液体压力的计算，液体流量的测算。

三、非牛顿液体的流动三、非牛顿液体的流动有屈服应力非牛顿型流体粘性流体粘弹性流体与时间无关与时间有关无屈服应力假塑性流体涨塑性流体宾汉塑性流体触变性流体流凝性（负触变性）流体假塑性流体假塑性流体（Pseudo-plastics）该流体的表观黏度随剪切速率的增大而该流体的表观黏度随剪切速率的增大而减小减小.=Kn对于熔体：

对于熔体：

对塑料熔体说，造成黏度下降的原因在对塑料熔体说，造成黏度下降的原因在于大分子之间彼此缠结的状况。

当缠结的大分于大分子之间彼此缠结的状况。

当缠结的大分子受应力作用时，其缠结点就会被解开，所受子受应力作用时，其缠结点就会被解开，所受的应力愈高，则被解开的缠结点就愈多，同时的应力愈高，则被解开的缠结点就愈多，同时被解开的缠结点的大分子还沿着流动方向排列被解开的缠结点的大分子还沿着流动方向排列成线状，这时的大分子之间要发生相对运动，成线状，这时的大分子之间要发生相对运动，内摩擦力就比较小，表现在宏观性能上就是表内摩擦力就比较小，表现在宏观性能上就是表观黏度下降。

观黏度下降。

假塑性液体（浓溶液或悬浮液的解释）假塑性液体（浓溶液或悬浮液的解释）对于塑料浓溶液或悬浮液来说，当它受对于塑料浓溶液或悬浮液来说，当它受到应力时，原来由于溶剂化作用而被封闭在颗到应力时，原来由于溶剂化作用而被封闭在颗粒内或大分子盘绕空穴内的小分子即溶剂或分粒内或大分子盘绕空穴内的小分子即溶剂或分散介质（如增塑剂）就被挤出来一些，这样，散介质（如增塑剂）就被挤出来一些，这样，颗粒或缠绕大分子的有效直径即随着应力的增颗粒或缠绕大分子的有效直径即随着应力的增加而相应缩小，再由于颗粒空间的小分子的增加而相应缩小，再由于颗粒空间的小分子的增多，使得颗粒之间的内摩擦减小（主要表现为多，使得颗粒之间的内摩擦减小（主要表现为颗粒之间的碰撞机率减少），从而使液体的黏颗粒之间的碰撞机率减少），从而使液体的黏度下降。

度下降。

涨塑性流体涨塑性流体（Expansion-plastics）该流体的表观黏度随剪切速率的增大而增加该流体的表观黏度随剪切速率的增大而增加。

当高浓度悬浮液于静止状态时，体系中的当高浓度悬浮液于静止状态时，体系中的固体颗粒构成的间隙最小，即呈紧密堆砌状态，固体颗粒构成的间隙最小，即呈紧密堆砌状态，其中低分子液体成分（如增塑剂）只能勉强充满其中低分子液体成分（如增塑剂）只能勉强充满这些空隙，当施加于这一体系的剪切应力不大时，这些空隙，当施加于这一体系的剪切应力不大时，低分子液体就可以在移动的颗粒间充当润滑剂，低分子液体就可以在移动的颗粒间充当润滑剂，因此，这时高分子流体的表观黏度不高。

然而，因此，这时高分子流体的表观黏度不高。

然而，当剪切应力渐渐增大时，固体颗粒的紧密堆砌结当剪切应力渐渐增大时，固体颗粒的紧密堆砌结构就渐渐被摧毁，使得整个体系显得有些胀大，构就渐渐被摧毁，使得整个体系显得有些胀大，此时，低分子液体如增塑剂已不能充满所有的空此时，低分子液体如增塑剂已不能充满所有的空隙，固体颗粒移动时的润滑作用正在减弱，高分隙，固体颗粒移动时的润滑作用正在减弱，高分子流体流动时的内摩擦阻增加，体现在宏观性能子流体流动时的内摩擦阻增加，体现在宏观性能上就是表观黏度增大。

上就是表观黏度增大。

宾汉流体宾汉流体（Bingham）当剪应力超过屈服应力之后才开始流动，当剪应力超过屈服应力之后才开始流动，开始流动之后像牛顿型流体一样。

开始流动之后像牛顿型流体一样。

公式：

公式：

液体在静止时内部有凝胶性结构，当外液体在静止时内部有凝胶性结构，当外力的应力超过力的应力超过y时，这种结构完全崩溃，这时时，这种结构完全崩溃，这时才开始流动。

才开始流动。

（二）有时间依赖性系统

（二）有时间依赖性系统

（1）触变性（亦称）触变性（亦称“摇溶性摇溶性”）