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聚合物材料加工流变学复习资料
默认分类 2010-06-02 21:00:59 阅读165 评论0  字号：大中小 订阅
流变学 ：是研究材料流动及变形规律的科学。
熔融指数：热塑性塑料在一定温度和压力下，熔体在十分钟内通过标准毛细管的重量值。
表观剪切黏度：聚合物流变曲线上某一点的剪切应力与剪切速率之比
牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。
可回复形变 ：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，发现只有一部分形变得到恢复，另一部分则作为永久变形保留下来，其中可恢复形变量Sr表征流体在形变过程中储存弹性能的大小。
第2光滑挤出区：剪切速率持续升高，当达到第二临界剪切速率后，流变曲线跌落，然后再继续发展，挤出物表面可能又变得光滑，这一区域称为第二光滑挤出区。
冷冻皮层 ：实际上熔体进入冷模后，贴近模壁的熔体很快凝固，速度锐减，形成冷冻皮层，使熔体流道宽度Z下降。
法向应力效应 ：聚合物材料在口模流动中，由于自身的黏弹特性，大分子链的剪切或拉伸取向导致其力学性能的各向异性，产生法向应力效应。
松弛时间 ：弹性形变在外力除去后松驰的快慢，可用松驰时间表征，τ=η/G， τ越大，松驰时间越长。
德博拉数Deborah数 ——时间尺度：松弛时间与实验观察时间之比。《1时做黏性流体，》1时做弹性固体。
入口校正：由于实际切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的，所以可将假想的一段管长eR加到实际的毛细管长度L上，用L+eR作为毛细管的总长度,其中e为入口修正系数， R为毛细管的半径。用作为均匀的压力梯度，来补偿入口管压力的较大下降残余应力。
残余应力：构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。
韦森堡效应爬杆现象包轴现象：与牛顿型流体不同，盛在容器中的高分子液体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，反而环绕在旋转棒附近，出现沿棒向上爬的“爬杆”现象，这种现象称Weissenberg效应，又称包轴现象。
表观粘度：表观粘度ηa定义流动曲线上某一点τ与γ的比值。
第一法向应力差 ：沿着流动方向受拉伸，拉抻了的分子链产生最大法向应力σ11 ，使流体处于紧张状态，像有收缩力作用，起到一个“箝住效应”; 在此同时，由于剪切作用，另一方面会在垂直于流动方向（垂直于剪切面）产生正向推力σ22 ，两者之差就是第一法向应力差。
本构方程 ：描述应力分量与形变分量或形变速率分量之间关系的方程,是描述一大类材料所遵循的与材料结构属性相关的力学响应规律的方程. 反映流变过程中材料本身的结构特性。
平衡转矩 ：作用在当量面积上的转矩M与粘性力矩平衡。
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。
挤出胀大巴拉斯效应：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。
驻点：在x’*处,物料流速分布中,x’=-λ，中心处的速度=0,称驻点.
非牛顿指数：表征熔体的非牛顿特性的指数。
熔体破裂 ：高分子熔体从口模挤出时，当挤出速度过高，超过某一临界剪切速率时，容易出现弹性湍流，导致流动不稳定，挤出物表面粗糙，随挤出速度的增大，可能分别出现波浪形，鲨鱼皮形，竹节形，螺旋形畸变，最后导致完全无规则的挤出物断裂，称为熔体破裂现象。
假塑性流体：粘度随剪切应力、切变速率增大而降低，即“切力变稀”的流体。
胀塑性流体：粘度随剪切应力、切变速率增大而升高，即“切力变稠”的流体。
触变性流体震凝性流体：凡流体在恒温和恒定的切变速率下，粘度随时间递减的流体为触变体，反之为震凝体。
宾汉流体：与牛顿型流体的流动曲线均为直线，但它不通过原点，只有当剪切应力超过一定屈服应力值之后才开始塑性流动。
幂律方程 ：剪切应力与剪切速率的某次方成正比，即
其中，k为流体的稠度，k越大，流体越粘，k是与温度有关的参数。
 n为流动指数，n=d㏑τ/d㏑ γ ,为在㏑τ-㏑ γ对数坐标中曲线的斜率。
拖曳流动：因为道壁或边界的运动而引起的流动。
压力流动：由于压差引起的流动。
拖曳流：指对流体不加压力而靠边界运动产生力场，由粘性作用使流体随边界流动，称Couette库爱特流动。
压力流：指物料在管中流动,是由于管道两端存在压力差,而边界固定不动，称Poiseuille泊肃叶流动。
稳态柔量：表征液体弹性效应的大小的量。
冻结分子取向：因分子取向被冻结而产生的应力称冻结分子取向。
冻结分子取向机理：由于冷冻皮层有绝热作用，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。
拉伸流动：从流变学意义上讲，指物料运动的速度方向在速度梯度方向平行。
拉伸粘度：在稳态单轴拉伸中，即拉伸速率为恒定值，设x1为拉伸方向，体系的稳态拉伸粘度定义为：
粘流活化能：E定义为分子链流动时用于克服分子间作用力以便更换位置所需要的能量，或者每摩尔运动单元所需要的能量，它表征粘度对温度的依赖性，E越大，粘度对温度的依赖性越强，温度升高，其粘度下降得越多。
螺杆特性曲线 口模特性曲线  挤出机稳定工作点
对同一螺杆改变不同的转速，将方程 绘在 - 坐标图上得到的一系列具有负斜率的平行直线称为螺杆特性曲线
改变口模大小，将 绘在坐标图上得到的一系列经过原点，斜率不同的直线称为口模特性曲线。两组直线的交点就是适于该机头口模和螺杆转速下挤出机的综合工作点，该点所对应的qv为挤出机在操作条件下的生产率。
螺杆转速：直线越上越大；口模尺寸：斜率大的大
开炼加工过程压力、速度分布压力度分布：
极大值:在x’=-λ,即在辊距之前极
小值:在x’= λ,p=0,即物料脱离辊筒
表面的位置.
在x’=-x’0,物料刚进入辊筒处,物料
尚未承受压力.
在最小辊距处,即x’=0处,
即此时物料内压力为极大值的一半.
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 <x’< λ,前方压力小,后部压力大,压差作用向前,形成正压力流,各层速度大于辊筒表面线速度.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’<x’*,正负流速共存,形成旋转运动
注塑过程：
第一阶段:合模引料阶段:物料在料筒内加热塑化,模板闭合,物料开始向入模方向移动,但仍未入模腔,模腔内的压力非常低.
第二阶段:充模阶段:熔体开始进入模腔内,模内压力逐渐上升.
第三阶段:保压阶段:因为喷嘴压力高于模腔压力,所以熔体仍可缓慢进入模腔内,以补充熔体在模内冷却收缩后所用的物料,使制品进一步密实.
第四阶段:倒流阶段:由于柱塞后退,柱塞压力立即消失,喷嘴内的压力也迅速下降为0,但此时模腔内的压力要高于流道中的压力,所以浇口内尚未凝固的熔体有可能倒流,直到浇口内熔体凝固为止.
第五阶段:凝封阶段:没有明显的时间间隔,当上述倒流阶段结束后,也就到了凝封时间,这时由于浇口冻结,模内压力不能继续下降.
第六阶段:冷却阶段:这一阶段持续到物料的温度下降到非晶性高聚物的玻璃化转变温度或结晶性高聚物的熔融温度,使链段运动冻结起来.
第七阶段:开模阶段:残余应力
１.毛细管流变仪测量原理，为什么要进行入口校正及方法，及毛细管流变仪实际应用
（1）根据测量原理的不同，毛细管流变仪分为恒速型和恒压型两类，恒速型仪器预置柱塞下压速度为恒定，待测定的量为毛细管两端压差，恒压型仪器预置柱塞前进压力为恒定，待测量为物料的挤出速度即流量。
（2）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。
2.转矩流变仪测量原理及实际应用
①采用混合器测试时，高聚物以粒子或粉末的形式自加料口加入到密闭混炼室中，物料受到上顶栓的压力，并且通过转子表面与混合室壁之间的剪切、搅拌、挤压，转子之间的捏合、撕扯，转子轴向翻捣、捏炼等作用，实现物料的塑化、混炼，直至达到均匀状态。实验中通过记录物料在混合过程中对转子产生的反扭矩以及温度随时间的变化，来研究物料在加工过程中的分散性能、流动行为及结构变化。
②对PVC稳定性能影响  /聚合物交联过程研究
剪切粘度影响因素：
1、链结构：前面已经介绍过聚合物的流动是分段进行的，是通过链段相继移动，导致分子链重心沿外力方向移动，从而实现流动，因此分子间作用力小，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。
2、加工条件：粘度对切变速率依赖性与生产实践的关系
    前面已介绍的切力变稀对高分子材料的加工具有重要意义。
    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、配方：填充补强材料和软化增塑材料
A 碳黑的影响
     碳黑用量\粒径\结构性的影响
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.
B  碳酸钙影响
     属于无机填料, 降低成本
     右图对PP影响,随碳酸钙
用量增加粘度增大. 原因:刚性粒子,不容易变形,
阻力增大,又会增大分子链与
碳酸钙颗粒间的摩擦作用.
C  增塑剂影响
      主要用于粘度大\熔点高\难加工的高填充体系,降低粘度\改善流动性.
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。可见，分子取向冻结大多不发生在制品中心处，而发生在表皮层以下的那层材料中。影响因素：模具温度、模腔厚度、注塑压力、保压时间、料筒温度。
挤出胀大原因：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。
熔体破碎 ：从形变能的观点来看，高聚物的弹性是有限的，其弹性贮能本领也是有限的，当外力作用速率很大，外界赋予高聚物的形变能远远超过高聚物可承受的极限时，多余的能量以其它形式表现出来，其中产生新表面、消耗表面能是一种形式，即发生熔体破裂.在聚合过程中，当熔体挤出剪切速率γ超过某一个临界剪切速率γcrit时，挤出物表面开始出现畸变。类别：1、破裂的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，呈现无规律破裂状。2、破裂的特征是先呈现粗糙表面，而后随着剪切速率的提高逐步出现有规律的畸变，如竹节形、螺旋形、畸变等。对策：
 (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 crit，可消除死角；
（5）加入填充补强剂和增塑剂。
LDPE熔体破碎：当剪切速率极低时，流动稳定，死角处的涡流也稳定，当 ＞ crit后，入口处出现强烈的拉伸流，其造成的拉伸形变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流线断裂，死角处的涡流乘机混入口模，当主流线断裂后，应力集中减小，有回复稳定流动，这样导致了口模出口处挤出物的无规畸变。
HDPE熔体破碎：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，有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的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，从而集中能量，在发生滑移，这样周而复始，使挤出物有规畸变。消除措施如上对策。