【考研化学】第三章 聚合物液体在管和槽中的流动

第三章聚合物液体在管和槽中的流动★加工过程中主要的流动方式（按受力分）：①压力流动：在简单的形状管道中因受压力作用而产生的流动。受力:剪切力；②收敛流动：在截面积逐渐减小的流道中的流动。受力:剪切力、拉伸力；③拖曳流动：在具有部分动件的流道中的流动。受力情况复杂★按速度方向分类：①一维流动：②二维流动：③三维流动层流湍流稳定流动不稳定流动剪切流动拉伸流动等温流动非等温流动其它分类方式：第一节在简单几何形状管道内聚合物液体的流动基本假设:①液体不可压缩;②流动是等温的,稳态的一维层流;③在管壁处无滑动;④流体粘度不随时间变化;⑤流动过程中,其他性质不变。一、聚合物液体在圆管中的流动具有均匀圆形截面且沿管轴方向半径保持恒定的圆形管道，是加工和成型设备中最常采用的通道形式。形状简单，容易加工。在圆管中液体在压力作用下只产生一维剪切流动。1.牛顿液体在简单圆管中的流动02)(''2'2321dlrPPrPrFFFFrLPrr2剪应力的分布与半径成正比，并呈直线关系。00r=0，LPRR2r=R，最大值dlPrr'2LPLPPdlP0'drddtdxdrddrdxdtddtd)()(drLPrdrdrdv2LrRPv4)(22LPRvr4,0200,RvRr最大值速度分布具有抛物线形，等速线为一些同心圆。容积流动速率（流率，单位时间内流出的聚合物）LPRrdrrRLPrvdrQRR8)(2240220QLPR84LPrrr2LPRRQ822QLPR,,0;220LPRLPrRr)()2)(1(111nnnnnrrRLPnnnLPRnRnQ13)2)(13(2.非牛顿液体在简单圆管中的流动nnRrLPRr11)()2(剪应力与半径成正比，分布呈直线：速度分布与n有关：牛顿流体(n=1)，抛物线形；假塑性流体(n1)，较抛物线平坦，n愈小愈平坦，称为“柱塞流动”；膨胀性流体(n1)，较为陡峭，n愈大愈接近锥形。*宾汉液体有明显的柱塞流动特征*柱塞流动的混合效果不如抛物线形流动（剪切大，扰动）3.圆管中的实际流动（1）有边界滑移的流动vR≠0，实际流速计算值分子量的分级效应：低分子量级分管壁高分子量级分中心（2）非等温流动摩擦生热：管壁处最大，中心部分最小因压力降而膨胀耗热：液体膨胀率中心最大，中心的冷却大于管壁。所以摩擦和膨胀的共同结果使中心区域温度降低，管壁区域温度升高。二、聚合物液体在狭缝通道中的等温流动狭缝通道是指厚度比宽度小得多的通道。例如：挤出板材和薄片的平直口模外径接近内径的环形口模压力作用下的一维剪切流动请同学们自学聚合物在狭缝通道中的剪应力分布、流速分布、流率计算。三、聚合物的收敛流动和拖曳流动粘性的聚合物能随管道的运动部分移动称为拖曳流动，因此液体的总流动是拖曳流动和压力流动的总和。1.拖曳流动举例说明：例1挤出线缆包复物口模中的拖曳流动只沿z向流动，是一维流动例2挤出机螺杆槽中的拖曳流动矩形通道，螺杆旋转，是二维或三维流动(1)管道中的收敛流动流线收敛角α管道突然减小大的扰动和压力降措施：有一定锥度的管道（圆锥形、楔形）收敛流动的最大流速在管道的最小截面处。2.收敛流动(2)拉伸流动拉伸流动是粘弹性聚合物熔体从任何形式的管道中流出并受外力拉伸产生的收敛流动，因拉应力而产生非抑制性拉伸作用。拉伸流动的收敛角远小于锥形管道的收敛角。λ：拉伸粘度低应力下，不依赖σ，λ=3η不随σ变化高应力下，拉伸变稀拉伸变硬大多数聚合物小结：三种流动的速度分布比较类型径向轴向图示压力流动抛物线形或柱塞形中心最大管壁最小无速度梯度收敛流动抛物线形或柱塞形中心最大管壁最小最小截面处最大最大截面处最小拉伸流动无速度梯度最小截面处最大最大截面处最小第二节聚合物液体流动过程的弹性行为一、端末效应定义：管子进口端与出口端与聚合物液体弹性行为有关的现象称为端末效应。包括入口效应和模口膨化效应（离模膨胀效应）。1.入口效应入口效应的范围：Le/D入口效应区域产生的压力降很大，原因有两个方面：①以收敛流动方式进入小管时，为保持恒定流率，只能增大流速，所以要消耗更多的能量。②收敛流动中大分子沿流动方向伸展取向，这种高弹形变需克服分子内和分子间的作用也要消耗一定的能量。修正流率-压力降方程：将入口端的压力降看成是与某一“相当长度”管子所引起的压力降相等，常以L+3D代替方程中的L。2.离模膨胀效应膨胀比：Df/D膨胀效应的机理：是液体流动过程中弹性行为的反映。Le段收敛流动拉伸弹性应变Y向收缩Ls段剪切流动剪切弹性形变Y向涨大若Ls很大，入口效应引起的应变得到松弛，Ls段的弹性能是主要原因。若Ls很小，入口效应引起的应变得不到松弛，入口效应的弹性能是主要原因。3.影响端末效应的因素凡是导致流动中弹性成分增加的因素都使端末效应变得严重。①聚合物的性质分子量，分布窄，弹性模量膨胀②应力或应变速率σ（＜临界值）膨胀③温度临界剪切速率下，T膨胀④管道几何形状D，L/D，α膨胀界面几何形状不同的管道在不同方向的膨胀也有差异。二、不稳定流动和熔体破裂现象定义：低应力下的牛顿流动中各种因素引起的小扰动容易抑制，而高应力时液体中的扰动难以抑制，易发展成不稳定的流动，引起熔体破裂。出现熔体破裂时的应力或剪切速率称为临界应力和临界剪切速率。1.产生熔体破裂的原因①液体流动时在管壁上出现滑移和液体中的弹性回复。滑移-流速增加-应力平衡破坏②液体剪切历史的差异，可能引起极不一致的弹性回复。熔体破裂现象是聚合物液体产生弹性应变与弹性回复的总结果，是一种整体现象。2.影响不稳定流动的因素①聚合物性质非牛顿性强的聚合物，入口区域和管子中的流动时的剪切作用是主要原因；非牛顿性弱的聚合物，流动历史的差异是主要原因。②临界剪应力和临界剪切速率分子量，分布窄，τc非牛顿性愈强，弹性行为愈突出τcTτc③管道几何形状α，L/D，流道表面流线型化τc3.鲨鱼皮症特点是在挤出物的表面形成很多细微的皱纹，人字形、鱼鳞状或鲨鱼皮状。原因是熔体在管壁上滑移和熔体挤出管口时口模对挤出物产生的拉伸作用。是一种较轻微的表层的不稳定流动。第三节聚合物液体流动性测量方法用于测定聚合物流变性质的仪器称为流变仪或粘度计。最广泛的有毛细管粘度计（10-1~106秒-1，与加工条件接近），旋转粘度计，落球粘度计和锥板粘度计。请同学们自学各种粘度计的工作原理和测量方法。思考题：1.聚合物液体在圆管中流动时，试分析剪切应力、剪切应变速率和流速的分布特点。（作业题）2.比较压力流动、收敛流动和拉伸流动中的受力情况和速度分布。（作业题）3.聚合物熔体在流动过程中有哪些弹性表现？在成型过程中可采取哪些措施以减少弹性表现对制品质量的不良影响？计算题：1.一种聚合物熔体在3MPa压力降作用下通过直径2mm、长8mm的等截面圆形管道时，测得的体积流率为0.054cm3/s，若该聚合物熔体的流变行为同于牛顿型流体，求管壁处的最大剪切应力、剪切速率和牛顿粘度。2.一聚合物熔体以1MPa的压力降通过直径2mm、长8mm的等截面圆管时测得的体积流率为0.05cm3/s，在温度不变的情况下以5MPa压力降测试时体积流率增大到0.5cm3/s，试从以上测试结果分析该熔体在圆管中的流动是牛顿型还是非牛顿型。