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