广工流变学知识点整理.docx

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广工流变学知识点整理

名词解释

1.非牛顿流体：

流体流动时，剪切粘度与剪切速率的关系不是线性关系（或不满足牛顿电脑功率）的流体。

2.假塑性流体：

高聚物熔体流动时，剪切粘度随剪切速率增加而降低的流体

3.胀塑性流体：

剪切粘度随剪切速率增加而增大的流体。

4.

宾汉流体:

流体所受的剪切应力超过临界剪切应力后,才能变形流动的流体

5.表现剪切粘度：

流动曲线上某一点τ与γ的比值，即

6.熔融指数：

在一定的温度和负荷下，聚合物熔体每10min通过规定的标准口模的质量，单位g/10min

7.韦森堡效应：

杆在聚合物熔体中旋转时，熔体沿杆上爬的现象

8.挤出胀大：

高分子熔体从口模挤出时，挤出物的直径比毛细管口模直径大的现象

9.不稳定流动和熔体破裂：

高分子熔体从口模挤出时，超过某一临界剪切速率，分别出现波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、螺旋形畸变，最后导致无规则的挤出物断裂。

10.冷冻皮层：

熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成冷冻皮层

11.可恢复变形：

先对流变仪中的液体施以一定的外力，使其形变，然后在一定时间内维持该形变保持恒定，而后撤去外力，使形变自然恢复，有一部分形变得到恢复

12.第2光滑挤出区：

在剪切速率继续增大时，熔体在模壁附近会出现

13.凝固层：

熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成凝固层。

14.

松弛时间：

指物体受力变形，外力解除后材料恢复正常状态所需的时间。

15.螺杆特性曲线：

其中,Δp为沿螺杆轴向全长总压力降.

a）α为正流系数,β为反流系数,γ为漏流系数.

16.αβγ为与螺杆几何尺寸有关的量,由Q对Δp作图可得到螺杆的挤出特性曲线.

17.入口校正：

在毛细管入口处的压力降并不反映真实的压力降。

如没有入口效应，实际作用于长L管的切应力比有入口效应的要小，所以要扣除这部分入口效应引起的压力降，这过程称为入口校正

18.润滑平衡：

19.第一法向应力差：

沿流动方向的应力与垂直于流向的应力之差

20.第二法向应力差：

21.本构方程：

是一类联系应力分量和形变分量或形变速率分量之间的关系方程

22.平衡转矩：

胶料泥炼时，转矩随物料的不断均化最终达到的平衡值。

23.Deborah数——时间尺度：

松弛时间与实验观察时间之比

24.Weissenberg数——应力比尺度：

第1法向应力与剪切应力之比。

Ws越小，弹性不明显。

25.巴拉斯效应：

指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。

这种现象称挤出胀大现象，也称弹性记忆效应，巴拉斯效应。

26.

驻点：

物料流速分布中,中心处的速度=0,称驻点.

27.幂律方程:

剪切应力与剪切速率的某次方成正比

28.挤出口模膨胀比Ｂ：

B=挤出物直径/口模直径，

▪要实现稳定挤出,应适当地减少螺槽深度h和减少机筒与螺杆突棱的间隙δ，适当加螺杆长度，适当降低挤出温度,有助于稳定挤出.

，提高熔体温度和提高模具温度，选择凝固温度低的物料和热扩散系数小的物料，粘度降低，更有利于注射。

1、什么叫流动曲线

流动曲线：

剪切应力与剪切速度的关系曲线

　２．流动曲线分类，每类流体的流动曲线特点及各举两三个例子

牛顿流体：

PC、偏二氯乙烯—氯乙烯共聚物，水，乙醇，气体

非牛顿流体：

塑性流体：

填充高分子体系，如炭黑填充聚异丁烯，CaCO3填充PE、PP等，润滑油，牙膏

假塑性流体：

聚乙烯，聚丙烯；大多数聚合物熔体和浓溶液

膨胀性流体：

聚乙烯糊

　３．从分子链结构、加工工艺、配方等方面探讨影响聚合物粘度的因素

一、实验和生产工艺条件（温度T，压力P，剪切速率，剪切应力等）；

A温度对粘度的影响

粘度随T↑而降低，温度升高，分子活动性增强，分子间距离增大，分子间摩擦力减小，流动阻力减小，粘度降低

B压力对粘度的影响

压力的增加,相当于温度的降低,

C切变速度和切应力（大部分是剪切速率增加，粘度降低）

1、剪切粘度对切变速率和切应力的依赖性

2、粘度对切变速率依赖性与生产实践的关系

在炼胶，压延，挤出时，胶料流动速度快，切变速率，切应力较大，γ高，粘度低，流动性好，生产快，而当流动停止时，粘度变得很大，有良好的挺性，半成品停放时不易变形，不会发粘，有利于提高质量。

粘度降低，使熔体易于加工，在填充模具时易流过窄小的流道，而且使得注射机，挤出机运转时所需能量减小。

3、影响流变性的因素

i分子量

如右图，开始出现非牛顿性流动的γ值，即从水平线转变为曲线的转折点对应的γ值，随着分子量的增大向低γ值方向移动，即分子量越大，出现非牛顿型流动的γ值越低，流变性越强：

M1>M2>M3,γ1<γ2<γ3

原因，分子量大，缠结点多，有些易解脱，所以粘度容易下降。

ii分子量分布和支化

分子量相同，但分布宽窄不同的聚合物，其流变性不同，如右图，当γ较小时，分子量分布宽的熔体粘度较高，当γ增大时，分布宽的高聚物首先开始出现粘度下降，出现非牛顿型流动的γ值比分布窄的要低，即γ1<γ2，分布宽的粘度下降比分布窄的下降得快，即分布窄的非牛顿性较强，显示出对γ较为敏感。

iii聚合物的种类

不同的聚合物，粘度对γ的依赖性不同。

柔性链高分子的表观粘度随剪切速率增加下降幅度较大，如氯化聚醚，PE；

刚性链高分子下降幅度较少，如PC，醋酸纤维素等。

随剪切速率增加，柔性高分子链易改变构象，即通过链段运动破坏了原有的缠结，降低了流动阻力，而刚性高分子链的链段较长，构象改变比较困难，随着剪切速率增加，流变阻力变化不大

物料结构及成分的影响（配方成分）；

填加剂影响

填充补强材料，粘度下降

软化增塑材料，粘度增加

原因:

碳黑粒子为活性填料,表面可吸附几条大分子链,形成类缠结点,阻碍大分子链运动和滑移,体系粘度上升,碳黑用量越多,缠结点越多,流动阻力增大.在用量相等的情况下,粒径小的,表面积大,橡胶与碳黑相互作用增强,粘度增大

大分子结构参数的影响（平均分子量，分布，支化等）。

5.1链结构

分子间作用力小，分子链柔顺性大，分子链中链段数越多而且越短，链段活动能力越大，钻孔洞容易，通过链段活动产生的大分子相对位移的效果也越大，流动性越好。

1.结构单元的化学本性——极性

一般而言，极性高分子链之间的相互作用大于非极性高分子，因此流动性较差，如氯丁橡胶的流动性比天然橡胶差。

2.分子量

随分子量增高，材料粘度迅速增大；

随分子量增大，材料开始发生剪切变稀的临界剪切速率变小，非牛顿流动性突出。

分子量大，其变形松弛时间长，流动中发生取向的分子链不易恢复原形，较早的出现流动阻力减少的现象，又因为分子量大的材料，内部缠结点多，容易在较小的剪切速率下开始解缠结和再缠结的动态过程。

3.分子量分布

分布宽的试样，其非牛顿流变性较为显著

（一）特长分子链不易松弛收缩，减小了这部分阻力

（二）特短分子链在较小的切应力或切变速率下易于解脱缠结和取向;

（三）随γ升高，已取向的短分子链可能起增塑作用，因而粘度下降很快。

4支化结构

若支链虽长，但其长度还不足以使支链本身发生缠结，支化使分子间距增大，分子间相互作用减弱，与分子量相当的线型聚合物相比，支化聚合物的粘度要低

若支链相当长，支链分子量达到或超过临界分子量的三倍（Mb≥3Mc），支链本身发生缠结，这时与支链聚合物的流变性质更加复杂。

在高剪切速率下，与分子量相当的线型聚合物相比，支化聚合物ηb较低，但其非牛顿性较强，在低剪切速率下，与分子量相当的线型聚合物相比，支化聚合物的η∞或者低，或者高。

　４．聚合物弹性效应

可回复剪切形变、挤出物胀大、法向应力效应，熔体破裂

　５．聚合物挤出胀大原因及消除措施

原因：

一是入口效应，物料进入口型之前，由于机腔直径较大，流动速率小，进入口型后，直径较小，流动速率大，在口型入口处的流线是收敛的，所以在口型入口处出现沿流动方向的速度梯度，对胶料产生拉伸力，使分子链部分拉直，如果在口型有足够的停留时间，则部分拉直了的分子链还来得及松弛，即来得及消除弹性形变，不把它带出口型之外，只带出真正的塑性形变，挤出后没有胀大现象，然而，由于挤出时流速快，虽然在口型中流动方向的速度梯度已不复存在，但因为停留时间较短，部分拉直了的分子链来不及在口型里松弛，即把弹性形变带出口型外，所以挤出后，流动突然停止，部分伸直了的分子链很快的，大部分地，卷曲回缩，然后挤出物停放时又进一步卷曲回缩，挤出物直径，厚度增大，长度缩小。

二．是高聚物在口型中的剪切流动也伴随有高弹性变，即在口型中稳定流动时，由于切应力，法向应力差，使分子链构象变化，导致弹性形变，挤出后回复产生膨胀现象。

挤出口模膨胀比Ｂ

分子量大，分子间作用力大，粘度大，流动性差，松驰时间长，流动过程中弹性形变所需要的松弛时间长，B大，

一般认为，填充量大的胶料，含胶率小，B小。

炭黑优先吸附分子量大的橡胶级份，使可熔胶分子量减小，松驰时间缩短，B减少。

　６．聚合物熔体破裂的两种类型，引起的原因及对策

熔体破裂类型：

（一）破裂特征是先呈现粗糙表面，当挤出剪切速率超过临界剪切速率发生熔体破裂时，呈现无规破裂状。

（LDPE，有支链和大侧基的聚合物）

（二）破裂特征是先呈现粗糙表面，然后随着剪切速率的提高逐步出现有不规则的畸变。

剪切速率很高时，出现无规破裂。

（HDPE）

LDPEHDPE

引起的原因

（一）LDPE

当剪切速率极低时，流动稳定，死角处的涡流稳定，当>crit后入口出处出现强烈的拉伸流动，其造成的拉伸变形超过熔体所能承受的弹性形变极限，强烈的应力集中使主流道内的流线断裂，使死角区的环流或涡流乘机混进口模。

当主流线断裂后，应力集中减少，又会恢复稳定流动，然后再一次集中弹性形变能，再一次流线断裂，这样导致了口模出口处挤出物的无规畸变。

（二）HDPE

高剪切速率时，熔体流过口模壁，在壁上滑移挤出正常，当剪切速率增加过大时，由于内壁应力突出，使流线断裂，又因为应力集中使出口储能大大增加，当能力积累到超过熔体与模壁之间摩擦力所能承受的极限值时，将使熔体滑移增速，增速的熔体与模壁粘着，从而集中力量，再发生滑移，这样周而复始，使挤出物有规畸变。

减轻熔体破裂现象的措施

▪

（1）适当降低分子量，加宽分子量分布；

▪

（2）适当升高挤出温度，但应防止交联、降解。

某些情况下如顺丁橡胶可利用低温光滑区挤出；

▪（3）适当降低挤出速度，某些情况下，可利用高速的第二光滑区；

▪（4）用喇叭型的口型，可提高rcrit，可消除死角；

▪（5）加入填充补强剂和增塑剂。

7.拉伸流动与剪切流动的比较

在拉伸流场中，一方面由于分子缠结破坏而使粘度降低，另一方面链的拉直和沿拉伸轴取向，使拉伸阻力，粘度增大，于是，拉伸粘度随之变化，取决于上述哪一种效应的优势。

同样，在拉伸过程中由于熔体中有局部弱点，形变趋于均匀，又由于应变硬化，因而η拉随之增大而增大，此类材料如：

LDPE，PS，聚异丁烯。

B类的η拉与ε无关，如PMMA，ABS，PA，POM，聚酯；

C类因局部弱点在拉伸过程中引起熔体的局部破裂，η拉随之增大而下降，如HDPE、PP等。

1、毛细管流变仪测量原理，

为什么毛细管流变仪要进行入口校正及方法，什么时候不可以进行校正

原因：

　a　在上面的推导中假设毛细管长度L是无限长的，事实上是有限长的，流体在流过入口处时，速度因从大口到小口而渐增，流线收敛，所以物料从料筒经入口被挤入毛细管时，引起不同流速层之间粘性的摩擦能量耗散；

另一方面，流体从大口流入小口时，在流动方向上产生速度梯度，引起弹性形变，也要消耗能量。

这两项能量的损失，使得在毛细管入口处的压力降并不反映真实的压力降。

如没有入口效应，实际作用于长L管的切应力比有入口效应的要小，所以要扣除这部分入口效应引起的压力降。

b方法：

Bagley修正

c当毛细管长径比很大时即一般要求大于40%），可以不进行校正

2转矩流变仪

图中Ａ为加料峰，此时物料较冷，

自由旋转的转子受到来自固体粒子或粉末的阻力，转矩急剧上升，当此阻力被克服后，转矩开始下降并在较短的时间内达到稳态。

表面开始熔融并发生聚集时，转矩再次升高，达到塑化峰Ｐ，与Ｐ对应的时间为塑化时间tp，Ｍp为最大塑化转矩。

在热的作用下，粒子内核慢慢熔融，转矩随之下降，当粒子完全熔融后，物料成为易于流的宏观连续的流体，转矩再次达到稳态，扭矩趋于平衡Ｍb。

经过一段时间后，在热和力的作用下，随着交联或降解的发生，转矩会有大幅度的升高或降低。

td为分解时间。

实际加工过程中，第一次转矩最大值对应的时间非常短，很少能观察到。

第二次达到稳态所需的时间通常为3-15min。

开炼机

压力极大值，极小值，辊距最小值处速度分布

压力极大值：

压力极小值：

速度分布：

▪

▪

▪两个特殊点:

x’=±λ,vx=v,即压力极大值处和物料脱辊处,物料流速等于辊筒表面线速度,且速度沿y方向均等分布,保证压出料片速度均匀平稳压出.

▪在-λ

▪在x’<-λ,前方压力大,后部压力小,形成反压力流,各层流速小于辊筒表面线速度.

▪在x’*处,物料流速分布中,中心处的速度=0,称驻点.

▪在x’

挤出机

▪螺杆计量段与机头口型区的工作特性理论曲线（被加工流体为牛顿流体）

两组曲线的交点符合条件（通过螺杆部分的流量一定要与通过机头口型区的流量相等,物料在螺杆部分的压力降也要与在机头口型区的压力降相等,即:

）

应为螺杆挤出机正常挤出的稳定工作点.

机头口型工作曲线为一组射线，以流通系数K为参数，其中K3>K2>K1

螺杆计量段工作曲线为一组平行直线，转速N为参数，其中N3>N2>N1

注射机

冻结分子取向是什么？

产生机理？

影响因素？

▪因分子取向被冻结而产生的应力，称冻结分子取向。

产生机理：

进入模腔的物料一般处于高温低剪切状态，但当物料接触到冷模壁后，物料冷凝，致使粘度升高，并在模壁上产生一层不流动的冷冻皮层。

该皮层有绝热作用，使贴近皮层的物料不立即凝固，在剪切应力作用下继续向前流动。

若高分子链一端被冻结在皮层内，而另一端仍向前流动，必然造成分子链沿流动方向取向，且保压时间越长，分子链取向程度越高。

在后来的冷却阶段，这种取向被冻结下来。

影响冻结分子取向的因素：

图部分注塑过程变量对冻结分子取向的影响